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caractérisation et optimisation d’un composite biosourcépour l’habitat

yoann Brouard

To cite this version:yoann Brouard. caractérisation et optimisation d’un composite biosourcé pour l’habitat. Constructiondurable. école doctorale université de Tours, 2018. Français. tel-01835828

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UNIVERSITÉ DE TOURS

ÉCOLE DOCTORALE EMSTU

Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé

THÈSE présentée par :

Yoann BROUARD

soutenue le : 14 mai 2018

pour obtenir le grade de : Docteur de l’université de Tours

Discipline/ Spécialité : Génie mécanique et productique

CARACTERISATION ET

OPTIMISATION D'UN COMPOSITE

BIOSOURCE POUR L'HABITAT

JURY :

Zoubeir LAFHAJ Professeur, Ecole Centrale Lille, Rapporteur

Saïd TAÏBI Professeur, Université du Havre, Rapporteur

Camille MAGNIONT Maitre de conférences, INSA Toulouse, Examinateur

Thibaut LECOMPTE Maitre de conférences HDR, Université Bretagne Sud, Examinateur

Pierre OUAGNE Professeur, ENIT Tarbes, Examinateur

Naima BELAYACHI Maitre de conférences HDR, Université d'Orléans

Stéphane MEO Professeur, Université de Tours

Narayanaswami RANGANATHAN Professeur, Université de Tours

Julien BONSENS Chargé de Mission Eco-construction Loches Développement

Eric JULIEN Artisan, Membre invité

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4

Remerciements

Cette thèse doctorale est une somme de contributions de différents acteurs qui m’ont permis de réaliser, un travail

de recherche sur un sujet qui me passionne. Merci tout d’abords aux initiateurs du projet biocomp qui est le fruit

d’une rencontre entre un directeur de laboratoire, le Pr. Ranganathan, un artisan, Éric Julien et le chargé de

mission éco-construction du Pays Touraine Côté Sud, Julien Bonsens avec lequel j’ai toujours beaucoup de plaisir

à échanger et qui m’a permis d’ancrer ces travaux dans une réalité de territoire. L’université d’Orléans via Pierre

Ouagne a par la suite rejoint le projet en participant notamment à sa définition. Ayant ensuite endossé le costume

du doctorant, j’ai pu bénéficier d’une ambiance conviviale au sein du CERMEL (Centre d’Etude et de Recherche

sur les Matériaux Elastomère) et de l’appui et la bienveillance de chacun des cermelitos en particulier mes voisins

d’open-space Mapie et Christophe qui ont su me brieffer et me prodiguer de précieux conseils tout au long de

mes essais et de la rédaction de ce manuscrit.

De nombreuses personnes ont également contribué à la partie expérimentale tout d’abord pour définir le protocole

expérimental in situ sur les chantiers encadré par Eric Julien, puis, le temps de disposer du matériel sur place, via

une collaboration et des échanges très intéressants avec Hélène Lenormand de l’Uni La Salle à Rouen qui m’a

également permis d’établir un contact avec Philippe Glé du CEREMA de Strasbourg qui m’a ouvert les portes de

son laboratoire pour réaliser les essais acoustiques et ensuite m’apporter tout l’éclairage nécessaire pour

l’exploitation et l’interprétation des données. J’ai pu bénéficier d’un appui des responsables du CERMEL et du

LaMé pour acquérir le matériel nécessaire à la réalisation d’essais à Tours et de la disponibilité, l’expérience et

l’inventivité et la bonne humeur sans faille de Mathieu Venin que je remercie particulièrement.

La plus forte contribution à la partie expérimentale de cette thèse est celle du département génie civil de Polytech

Orléans qui a rejoint l’encadrement du projet lors de la deuxième année. Cela m’a permis de bénéficier du matériel

présent sur place, de l’appui et de la bonne volonté des stagiaires de Master Wajih, Sami et Nourham qui ont

permis de poursuivre certaines expérimentations lorsque ma présence en continue à Orléans n’était pas possible,

je leur souhaite de bons débuts dans la vie professionnelle.

Tout au long de ces 3 ans et quelques mois, j’ai eu la chance de bénéficier de toute l’aide dont j’avais besoin

administrativement pour traverser sereinement les aléas d’une thèse doctorale, je remercie en particulier Naïma

et Anne et, bien sûr, le chef d’orchestre Stéphane Méo qui a su trouver avec une bienveillance sincère les

solutions qui s’imposaient pour que mon travail puisse s’effectuer dans les meilleurs conditions et que cette thèse

aille jusqu’à son terme malgré les défis à relever.

Ma plus grande reconnaissance enfin va vers Naima Belayachi pour son rôle fondamental à la réussite de cette

thèse. Elle a su en effet, me donner l’encadrement technique toujours pertinent dont j’avais besoin, la facilitation

5

de mes essais, les précieux conseils et relectures lors de la rédaction, ce fut un véritable soulagement de pouvoir

bénéficier de son professionnalisme et de sa dévotion, je lui souhaite de recueillir toute la reconnaissance

professionnelle qu’elle mérite !

Enfin, si ces 3 ans se sont déroulés dans la sérénité, je le dois beaucoup à mes enfants Odon et Ninel et à mes

parents que je sais être présents derrière moi pour m’empêcher de tomber.

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Table des matières

Introduction ............................................................................................................................ 16

CHAPITRE I : Contexte général et éléments de bibliographie sur l’emploi de matériaux biosourcés

pour l’isolation des bâtiments .................................................................................................. 21

1.1 Introduction .............................................................................................................. 21

1.2 Problématiques générales ......................................................................................... 22

1.2.1 Enjeux environnementaux .................................................................................... 22

1.2.2 Impact carbone des rénovations énergétiques ...................................................... 23

1.2.3 Economie circulaire .............................................................................................. 25

1.2.4 Ecologie industrielle appliquée au secteur du bâtiment ....................................... 25

1.3 Matériaux de construction dans l’habitat ................................................................. 27

1.3.1 Matériaux et réduction des impacts environnementaux ....................................... 27

1.3.2 Matériaux biosourcés ........................................................................................... 29

1.3.3 Matériaux biosourcés et qualité de l’air intérieur ................................................. 34

1.3.4 Analyse de cycle de vie et impact environnemental ............................................ 36

1.4 Le projet BIOCOMP ................................................................................................ 38

1.4.1 Enjeux et contexte ................................................................................................ 38

1.4.2 BIOCOMP : programme scientifique .................................................................. 45

1.5 Conclusion ................................................................................................................ 46

CHAPITRE II : Caractérisation des matières premières et formulation des biocomposites . 47

2.1 Introduction .............................................................................................................. 47

2.2 Transformation des végétaux et séparation .............................................................. 48

2.3 Préparation au laboratoire ........................................................................................ 49

2.4 Terre crue ................................................................................................................. 52

2.4.1 Bac de rétention d’argile ...................................................................................... 52

7

2.4.2 Carrière de La Rouchouze .................................................................................... 54

2.5 Méthodes de caractérisation des matières premières ............................................... 55

2.5.1 Caractérisation des granulats ................................................................................ 55

2.5.2 Caractérisation de la terre-crue ............................................................................ 58

2.6 Résultats et discussion .............................................................................................. 60

2.6.1 Caractérisation des granulats ................................................................................ 60

2.6.2 Caractérisation de la terre-crue ............................................................................ 68

2.7 Elaboration des biocomposites ................................................................................. 71

2.7.1 Mise en œuvre artisanale ...................................................................................... 71

2.7.2 Saisonnalité, lutte contre les moisissures ............................................................. 72

2.7.3 Optimisation des proportions et masses volumiques au laboratoire .................... 73

2.7.4 Protocole de fabrication des échantillons au laboratoire ...................................... 74

2.8 Conclusion ................................................................................................................ 77

CHAPITRE III : Caractérisation thermique, hydrique et mécanique des biocomposites ...... 79

3.1 Introduction .............................................................................................................. 79

3.2 Caractérisation thermique......................................................................................... 81

3.2.1 Protocole de caractérisation thermique ................................................................ 81

3.2.2 Influence de la masse volumique. ........................................................................ 82

3.2.3 Influence de la teneur en eau et de l’humidité relative......................................... 86

3.3 Caractérisation mécanique ....................................................................................... 87

3.3.1 Protocole de caractérisation mécanique ............................................................... 87

3.3.2 Module de Young et contrainte maximale de compression ................................. 87

3.3.3 Influence du sens de compactage sur les caractéristiques mécaniques des bio-

composites : ...................................................................................................................... 91

3.4 Caractérisation hydrique : courbes de sorption/désorption ...................................... 94

3.4.1 Courbes de sorption/désorption ............................................................................ 94

8

3.4.2 Absorption capillaire ............................................................................................ 96

3.5 Influence du silicate d’éthyle et de la chaux sur les propriétés mécaniques des

biocomposites ..................................................................................................................... 102

3.5.1 Stabilisation à la chaux ....................................................................................... 102

3.5.2 Stabilisation au silicate d’éthyle ......................................................................... 102

3.5.3 Comportement des biocomposites stabilisés ...................................................... 103

3.5.4 La stabilisation de la terre-crue est-elle à rechercher ? ...................................... 105

3.6 Conclusion .............................................................................................................. 106

CHAPITRE IV : Impact de l’enduit de finition sur le comportement des biocomposites .... 108

4.1 Introduction ............................................................................................................ 108

4.2 Caractérisation hydrique ........................................................................................ 109

4.2.1 Mesures de la capacité de tampon hydrique (Moisture Buffer Value - MBV) .. 109

4.2.2 Comparaison des capacités de tampon hydrique ................................................ 112

4.3 Caractérisation acoustique ...................................................................................... 121

4.4 Evaluation expérimentale et numérique d’une paroi en tuffeau isolée en terre-colza

130

4.4.1 Caractérisation expérimentale de la résistance thermique de la paroi................ 130

4.4.1.2 Présentation du dispositif ............................................................................... 133

4.4.2 Approche numérique du comportement hygrothermique de la paroi................. 135

4.4.3 Etude numérique de l’influence de l’enduit sur la durée de séchage de l’isolant

biocomposite .................................................................................................................. 140

4.5 Conclusion .............................................................................................................. 144

Conclusion Générale et perspectives .................................................................................. 147

Bibliographie ......................................................................................................................... 154

Résumé .................................................................................................................................. 167

Mots-clés: ........................................................................................................................... 169

Abstract ................................................................................................................................. 170

9

Keywords: .......................................................................................................................... 171

10

11

Liste des tableaux

Tableau 2-1. Masse volumique des granulats végétaux utilisés (RS, SB, SP) ........................ 60

Tableau 2-2-2. Masse volumique en vrac et conductivité thermique des granulats végétaux 66

Tableau 2-3. Porosité totale des granulats végétaux ............................................................... 67

Tableau 2-4. Comparaison des proportions granulaires, limites de liquidité et valeurs au bleu

de méthylène de terres-allégées avec différents granulats végétaux ........................................ 70

Tableau 2-5. Nomenclature des masses volumiques des mortiers à l’état frais ...................... 75

Tableau 3-1 . Porosité totale des biocomposites ..................................................................... 82

Tableau 3-2. Comparaison de la conductivité thermique en fonction de la masse volumique de

différents bétons végétaux issus de la littérature ...................................................................... 85

Tableau 3-3. Caractéristiques mécaniques des échantillons compactés verticalement et

horizontalement ........................................................................................................................ 93

Tableau 3-4. Coefficient d’absorption capillaire des biocomposites avec et sans additifs ... 102

Tableau 4-1. Capacités de tampons hydriques de différents biocomposites ......................... 114

Tableau 4-2. Porosité intergranulaire des biocomposites évaluée par méthode acoustique . 125

Tableau 4-3. Paramètres insérés dans la base de données de WUFI .................................... 138

Tableau 4-4. Durée de séchage de la couche d’isolant selon la composition de l’enduit de

finition utilisé ......................................................................................................................... 143

12

Liste des figures

Figure 1-1. Ecologie industrielle appliquée au bâtiment ......................................................... 26

Figure 1-2. Approche intégrée et par implémentation du choix d’un enduit isolant (Corrado et

al. 2016) .................................................................................................................................... 28

Figure 1-3. Microstructure du béton de chanvre et description des différents types de porosités

(Delannoy 2017) ....................................................................................................................... 31

Figure 1-4. Représentation schématique des phénomènes d’adsorption physique dans un pore

(Collet 2004) ............................................................................................................................ 32

Figure 1-5. Andrea Klinge 2016 (Klinge, Roswag-Klinge, et al. 2016) Texture et adsorption de

vapeur d’eau des enduits et revêtements composés de terre crue ............................................ 33

Figure 1-6. Andrea Klinge 2016 (Klinge, Roswag-Klinge, et al. 2016) Texture et adsorption de

vapeur d’eau des enduits et revêtements sans terre crue .......................................................... 33

Figure 1-7. Diagramme de Scofield Sterling ........................................................................... 35

Figure 1-8. Emission de gaz à effets de serre évité pour un apport d'isolation supplémentaire

de R=1,8 à un mur existant de résistance thermique R=2,7 pour une chauffage au gaz © 2015

Third Level Design ................................................................................................................... 40

Figure 2-1. Distribution granulométrique des granulats de tournesol (Chabannes 2012) ....... 50

Figure 2-2. A gauche : mélange moelle-écorce de tournesol grossièrement broyée après

passage à l’unité de transformation du GDA Montrésor, au milieu écorce de tournesol après

broyage au laboratoire à droite, moelle de tournesol après broyage au laboratoire ................. 50

Figure 2-3. Granulats végétaux broyés : En haut à droite: SB, haut à gauche: SP, bas à droite:

RS, bas à gauche: SBP ............................................................................................................. 51

Figure 2-4. Carrière de sable Sograco Marcilly sur Vienne .................................................... 53

Figure 2-5. Site d’extraction de terre-crue du site de La Rouchouze haut et atelier de broyage

(bas gauche) et malaxage mise en forme (bas droite) .............................................................. 55

Figure 2-6. Porosimètre à air du CEREMA de Strasbourg ..................................................... 58

Figure 2-7. Ecorce de tournesol SB, sur la droite, cliché MEB section tangentielle .............. 62

Figure 2-8. Moelle de tournesol SP, sur la droite, cliché MEB section radiale ...................... 62

Figure 2-9. Paille de colza RS, cliché MEB moelle (en bas à droite) et paille (haut à droite) 62

Figure 2-10. Evaluation de la taille des pores au MEB : RS section longitudinale (gauche) et

SP section radiale (droite) ........................................................................................................ 63

13

Figure 2-11. Taux d’absorption des granulats végétaux à 10°C (en haut à gauche), 20°C (en

haut à droite) et 40°C (en bas) .................................................................................................. 64

Figure 2-12. Quantité d’eau absorbée par les granulats végétaux à 20°C en fonction du volume

de granulats .............................................................................................................................. 65

Figure 2-13. Conductivité thermique et masse volumique des granulats ................................ 66

Figure 2-14. Relation entre la porosité et la masse volumique des granulats ......................... 67

Figure 2-15. Courbe d’analyse granulométrique de la terre-crue de La Rouchouze............... 68

Figure 2-16. Diffractogramme de rayons X de la terre crue de La Rouchouze ...................... 69

Figure 2-17. Mélange terre-colza banché, presbytère de Chédigny (37) ................................ 72

Figure 2-18. Préparation des échantillons avec la presse Zwick/Roell Z010 press. A gauche:

cylindrique, droite : paralllélépipédique (mesures thermiques) ............................................... 76

Figure 2-19. A gauche, compactage des échantillons cylindriques, à droite: de gauche à droite

échantillons SBD8 et RSD5 ..................................................................................................... 76

Figure 3-1. Critères d’étude des matériaux d’isolation biosourcés (Liu et al. 2017) .............. 80

Figure 3-2. A gauche, conductimètre NEOTIM FP2C, à droite, sonde fil chaud placée entre

deux échantillons de RSD5 ...................................................................................................... 82

Figure 3-3. Conductivité thermique des biocomposites en fonction de leur masse volumique

.................................................................................................................................................. 83

Figure 3-4. Conductivité thermique en fonction de la masse volumique de mélanges terre-

végétaux et autres bétons végétaux .......................................................................................... 86

Figure 3-5. Influence de l’humidité relative (à gauche) et de la quantité d’eau (à droite)

présentes dans les échantillons sur leur conductivité thermique .............................................. 87

Figure 3-6. Module d’élasticité et contrainte maximale de compression en fonction de la masse

volumique des mélanges terre-végétaux respectivement à gauche et à droite ......................... 88

Figure 3-7. Courbes contraintes/déformations des biocomposites SPD2, RSD5, SBPD5 et

SBD8 ........................................................................................................................................ 90

Figure 3-8. Echantillon SBPD5 après rupture (à gauche) et RSD5 sans rupture mais à forte

déformation (à droite) ............................................................................................................... 91

Figure 3-9. Moule pour compactage horizontal (RSD5-H) à gauche et vertical (RSD5-V) à

droite ......................................................................................................................................... 92

Figure 3-10. Courbe de la contrainte en fonction de la déformation pour les deux sens de

compactage : verticale et horizontal ......................................................................................... 92

14

Figure 3-11. Essai de compression sur échantillon RSD5-H à gauche et RSD5-V à droite ... 94

Figure 3-12. Isotherme de sorption/désorption des biocomposites SPD5, RSD5, SBPD5 et

SBD8 ........................................................................................................................................ 96

Figure 3-13. Dispositif de l’essai de remontées capillaires ..................................................... 98

Figure 3-14. Courbes d’absorption d’eau par unité de surface en fonction de la racine carrée du

temps pour les différents biocomposites (témoins, avec chaux (-L) et silicate d’éthyle (-SE))

.................................................................................................................................................. 99

Figure 3-15. Hauteur atteintes en fin d’essai par les remontés capillaires des biocomposites

avec sans additifs .................................................................................................................... 100

Figure 3-16. Coefficients d’absorption des différents composites avec et sans additifs ....... 101

Figure 3-17. Contrainte maximale des biocomposites avec et sans additifs ......................... 104

Figure 3-18. Module de Young des biocomposites avec sans additifs.................................. 105

Figure 4-1. Echantillons de biocomposite avec enduit de finition pour essai MBV avec une face

exposée ................................................................................................................................... 110

Figure 4-2. Echantillons SPD2, SBPD5, RSD5 et SBD8 dans l’enceinte climatique .......... 111

Figure 4-3. De gauche à droite: RSD5, SBD8 et SPD2, avec enduit de finition (bas) et sans

enduits de finition (haut) ........................................................................................................ 111

Figure 4-4. Classement qualitatif des valeurs des capacités de tampon hydrique proposé par

Rode et al. (Rode et al. 2007) ................................................................................................. 115

Figure 4-5. Capacités de tampon hydrique (MBV) de différents biocomposites .................. 116

Figure 4-6. Capacité de tampon hydrique de différents bétons à base de granulats végétaux en

fonction de leur masse volumique .......................................................................................... 117

Figure 4-7. Capacité de tampon hydrique des biocomposites avec et sans enduits de finition

................................................................................................................................................ 119

Figure 4-8. Masse d’eau absorbée et désorbée pour les échantillons RSD5 avec enduit (en haut)

et sans enduit (en bas) lors des cycles à 75%HR et 33%HR à 23°C ...................................... 120

Figure 4-9. Présentation d’un tube à impédance (en bas) et de son installation verticale au

CEREMA de Strasbourg (en haut) ......................................................................................... 122

Figure 4-10. Coefficients d’absorption α Sabine des composites RSD5 (haut à gauche, SBD5

(haut à droite), SBPD5 (Bas à gauche) etSPD2 (bas à droite) selon les faces inférieures (A) ou

supérieures (B) ....................................................................................................................... 126

15

Figure 4-11. Affaiblissement acoustique TL des composites RSD5 (haut à gauche, SBD8 (haut

à droite), SBPD5 (Bas à gauche) etSPD2 (bas à droite) selon les faces inférieures (A) ou

supérieures (B) ....................................................................................................................... 127

Figure 4-12. Coefficients d’absorption α Sabine des composites avec enduits de finition RSD5

(haut à gauche, SBD5 (haut à droite), SBPD5 (Bas à gauche) etSPD2 (bas à droite) ........... 129

Figure 4-13. Affaiblissement acoustique TL des composites avec enduitsRSD5 (haut à gauche,

SBD5 (haut à droite), SBPD5 (Bas à gauche) etSPD2 (bas à droite) .................................... 130

Figure 4-14. Paroi de pierres de tuffeau maçonnées à la chaux ............................................ 132

Figure 4-15. Enduit isolant de composition RSD5 appliqué sur la paroi en tuffeau avant

colmatage des fissures à l’aide de laine bois à gauches et après à droite ............................... 133

Figure 4-16. Chambre climatique thermo3 ........................................................................... 134

Figure 4-17. Paroi disposée dans la chambre climatique ...................................................... 134

Figure 4-18. Paroi multicouche modélisée et conditions aux limites .................................... 137

Figure 4-19. Sonde de mesure de température et humidité relative interne à l’isolant RSD5

................................................................................................................................................ 139

Figure 4-20. Essai avec ΔT=25°C--HR=66% ....................................................................... 139

Figure 4-21. Essai avec ΔT=25°C-HR=68% ........................................................................ 140

Figure 4-22. Variation de la température et l’humidité relative du climat extérieur en fonction

du temps ................................................................................................................................. 141

Figure 4-23. Evolution de l'humidité relative au milieu de l'isolant argile+ colza en fonction du

temps ...................................................................................................................................... 142

Figure 4-24. Courbe de sorption de l’isolant RSD5 .............................................................. 142

Figure 4-25. Variation de la teneur en eau à l’intérieur de l’isolant biocomposite en fonction

du temps ................................................................................................................................. 143

Figure 4-26. Facteur de résistance à la diffusion et durée de séchage de différents enduits de

finition .................................................................................................................................... 144

16

Introduction

17

Malgré une industrialisation massive des modes constructifs avec des matériaux de plus en plus

performants et l’utilisation des nouvelles technologies dans le domaine de bâtiments, nous

assistons ces dernières années au développement d’une nouvelle génération de matériaux à base

de ressources végétales renouvelables pour faire face aux problèmes environnementaux. Cette

volonté a fortement poussé les ingénieurs, les chercheurs et les pouvoirs publics à organiser une

réflexion sur le développement de ces matériaux et plus particulièrement dans le domaine de

l’isolation afin de diminuer la consommation énergétique des bâtiments en utilisant des

matériaux avec un potentiel isolant très important et un coût économique et environnemental

faible.

Ces matériaux sont largement étudiés et même utilisés dans certains cas comme le béton

chanvre pour lequel des filières de commercialisation et certification de systèmes constructifs

existent. Toutefois, plusieurs questions restent soulevées autour de ces matériaux et suscitent

l’intérêt des chercheurs tels que les mécanismes complexes gouvernant leur comportement

selon leur mise en place et procédés de fabrication, les conditions d’utilisation des végétaux

sans transformation ou encore la durabilité de leur performance face aux conditions d’usage ou

sinistres. A cet effet, plusieurs études ont été réalisées, impliquant des dynamiques

internationales, nationales ou encore régionales pour financer des programmes de recherches

regroupant chercheurs de laboratoires universitaires, des professionnels du bâtiment et des

associations militant pour l’utilisation des matériaux locaux pour diminuer l’impact

environnemental.

Le projet BIOCOMP (projet financé par la région Centre-Val de Loire) dont cette thèse est issue

a pour originalité d’être porté d’une part par les universités de Tours et Orléans et d’autre part

par une collectivité du sud de l’Indre et Loire elle-même en contact avec un Groupe de

Développement Agricole (GDA) ainsi que par un artisan spécialiste de la mise en œuvre de

bétons végétaux. La région Centre-Val de Loire appuie cette initiative dont l’objectif est de

faciliter l’émergence d’une filière locale de production d’agromatériaux pour l’isolation des

bâtiments dans le soucis de combiner une démarche de réduction de l’empreinte énergétique

d’un territoire tout en luttant contre la précarité énergétique et en initiant une activité

économique porteuse non délocalisable. Travaillant auparavant en tant que chargé de mission

18

en éco-construction et éco-matériaux, sur le territoire concerné, j’ai entrepris ce travail de

recherche doctorale à l’aube de mes quarante ans convaincu par l’approche proposée dans le

montage de ce projet ainsi que par les résultats des travaux réalisés antérieurement sur les bétons

végétaux à base de granulats de tournesol (Magniont et al. 2012), (Nozahic & Amziane 2012),

(Chabannes et al. 2014). L’objectif de mes travaux de thèse qui s’inscrivent dans le cadre du

projet BIOCOMP est l’optimisation de la formulation des matériaux terre crue-végétaux et la

rédaction d’un cahier des charges pour la transformation des végétaux locaux ainsi que des

règles de mise en œuvre in situ pour répondre aux besoins des artisans travaillant sur la

rénovation du bâti ancien en sud Touraine. Pour cela, une approche expérimentale basée sur

différentes caractérisations au laboratoire à l’échelle de l’échantillon et de la paroi.

Dans la première partie de ce manuscrit, nous avons souhaité mettre en avant le caractère

original et novateur de ce type de partenariat de recherche en soulignant la pertinence de mettre

en place des expérimentations appuyées par un volet de recherches scientifiques à cette échelle

de territoire en vue de répondre aux défis de la transition énergétique et écologique appelée par

le gouvernement français pour répondre aux enjeux environnementaux globaux. L’impact

environnemental justifiant l’emploi d’éco-matériaux locaux dans une démarche de transition

écologique est traité dans cette partie en rappelant les nombreux travaux issus de la littérature.

La moindre empreinte carbone de ces matériaux n’étant pas un critère suffisant pour justifier

leur emploi dans le cadre de rénovations énergétiques de logements, une approche reliant la

porosité des bétons végétaux à leurs performances thermiques, hydriques et acoustiques est

présentée ici. Les performances de différents biocomposites seront détaillées dans les chapitres

suivants, les valeurs de la porosité de ces biocomposites obtenues par porosimétrie à air nous

aideront à interpréter les résultats obtenus.

Une des contraintes du projet BIOCOMP est d’utiliser dans la mesure du possible des

ressources présentes sur une aire géographique déterminée par le Pays Touraine Côté Sud. Cette

contrainte permet d’envisager l’emploi de matières premières innovantes pour l’élaboration

d’un matériau biocomposite local. Suivant ce cahier des charges, une gamme de granulats et de

liants originaux ont été considérés puis caractérisés, c’est l’objet du deuxième chapitre. Ainsi,

les aspects liés à la transformation des coproduits de culture de colza et tournesol retenues sont

décrits de même que leur microstructure, porosité, conductivité thermique et leur capacité

19

d’absorption capillaire afin d’appréhender leur comportement une fois mélangés au liant pour

la préparation des biocomposites. Les résultats de la minéralogie et de la granulométrie du liant

à base de terre-crue retenu sont également présentés dans cette partie, la connaissance de ces

paramètres permettra d’interpréter les performances des mélanges terre-crue:végétaux. Ce

chapitre est également l’occasion de s’inspirer des savoir-faire existants sur le territoire pour

l’élaboration d’un protocole de mise en œuvre de ces bétons végétaux aboutissant selon les

formulations et les granulats utilisés à une gamme de biocomposites de différentes masses

volumiques.

En vue de pouvoir comparer ces matériaux aux autres bétons végétaux présentés dans la

littérature scientifique et d’évaluer leur positionnement dans le contexte de la réglementation

thermique actuelle, les caractéristiques thermiques et leurs dépendances aux variations du taux

d’humidité et de la masse volumique des biocomposites ont été étudiées dans le 3ème chapitre.

Ce chapitre présente de plus, les caractéristiques-mécaniques en compression ainsi que

l’influence de l’ajout d’additifs (chaux et silicate d’éthyle) censés améliorer ces propriétés.

(Brahim Mazhoud et al. 2017), (Tiennot et al. 2014). Dans ce chapitre, les capacités de sorption-

désorption de différents biocomposites sont par la suite présentées après avoir été déterminées

par la méthode gravimétrique des solutions salines. Enfin, la sensibilité des biocomposites aux

remontées capillaires revêtant un caractère critique concernant l’utilisation des matériaux à base

de terre-crue, celles-ci ont été mesurées et, afin de proposer des solutions pour réduire cette

sensibilité, l’influence des additifs sus-cités sur cette capillarité a été testée.

Le 4ème chapitre enfin, traite dans un premier temps de l’influence de l’application d’un enduit

de finition en terre-sable – qui est généralement réalisée en pratique – sur les propriétés de

régulation hydrique dynamique du biocomposite via la mesure de la capacité de tampon

hydrique des matériaux avec et sans enduits de finition. Ce protocole, de plus en plus répandu

pour la caractérisation des bétons végétaux, permet de positionner les matériaux réalisés dans

cette étude vis-à-vis d’autres biocomposites à base de liant ou granulats identiques. Une seconde

partie de ce chapitre est dédiée à l’étude des valeurs d’affaiblissement et d’absorption

acoustique et l’influence de l’ajout de la couche de finition sur ces valeurs. Enfin, ce chapitre

est l’occasion de comparer les valeurs de résistance thermique relevées sur une paroi

expérimentale en pierre de tuffeau représentant le type d’habitat vernaculaire rencontré en

20

Touraine isolée avec un enduit terre-colza avec les valeurs relevées par simulation numérique

avec le logiciel WUFI 2D. Pour terminer ce chapitre, une simulation à l’aide de ce logiciel a

pour objet de déterminer l’influence de l’application de différents types d’enduits de finition

sur la durée de séchage du composite isolant. L’objectif étant de déterminer l’impact du type

d’enduit appliqué sur la durée de séchage du biocomposite ainsi que l’impact de l’application

d’une couche de finition sur le biocomposite encore à l’état frais sur son séchage total.

21

1 Contexte général et éléments de bibliographie sur

l’emploi de matériaux biosourcés pour l’isolation des

bâtiments

1.1 Introduction

Face à la raréfaction des ressources naturelles (Meadows 1972), au réchauffement climatique

et l’augmentation de la consommation d’énergie et de la pollution liée au développement

industriel, les enjeux environnementaux deviennent une préoccupation majeure au même titre

que les enjeux économiques et sociétaux des activités humaines. Les différents secteurs

industriels sont fortement incités à la fois à réduire leur demande en matière première tout en

mettant en place des technologies et matériaux permettant de réduire globalement les dépenses

énergétiques et les émissions de dioxyde de carbone. Le secteur de la construction est concerné

au premier plan par ces préoccupations en étant un très grand consommateur d’une part de

matières premières et d’énergie pour la production de matériaux et d’autre part en influant selon

les performances énergétique des bâtiments, sur les consommations nécessaires pour les

besoins de chauffage et climatisation. Toutefois, le choix des technologies et matériaux

permettant d’aboutir à des bâtiments économes en énergie impacte le bilan environnemental

des bâtiments isolés et équipés, leur choix doit par conséquent s’effectuer de façon éclairée. En

effet, les matériaux utilisés dans le bâtiment se doivent d’être de moins en moins

consommateurs de ressources fossiles, également moins énergivores dans leur production tout

en assurant des performances techniques permettant de répondre aux prérequis des

réglementations thermiques et environnementales de plus en plus exigeantes. Les critères du

confort intérieur tant d’un point de vue acoustique que thermo-hygrique sont également de plus

en plus exigés par les habitants et concepteurs augmentant ainsi la diversification et la hauteur

de performances demandées vis-à-vis des matériaux isolants. Les matériaux issus du recyclage

ou de coproduits sont les meilleurs exemples garantissant l’utilisation de ressources

renouvelables peu gourmandes en énergie lorsque ces matériaux sont peu transformés. Ces

ressources en matière première pour l’élaboration de matériaux isolants étant liées au tissu agro-

industriel présent sur chaque territoire, ils entrent dans des démarches d’économie circulaires

22

spécifiques à chaque bassin d’activité. En suivant ce processus, il apparait pertinent qu’une

collectivité locale, ici le Pays Touraine Côté Sud s’associe au secteur de la recherche

universitaire en région Centre-Val de Loire pour mettre en place une filière locale de production

de matériaux d’isolation à base de résidus agricoles permettant de répondre aux besoins

spécifiques de rénovation du type de bâti présent dans son secteur géographique. Ce Chapitre

est consacré à la présentation du contexte général et régional du projet dans lequel s’inscrit le

travail de la thèse. Une revue de la littérature sur le comportement des matériaux biosourcés y

est présentée afin de décrire le lien entre le matériau, ses propriétés et ses performances.

1.2 Problématiques générales

1.2.1 Enjeux environnementaux

Suite à une prise de conscience générale accrue vis-à-vis des défis environnementaux auxquels

est confrontée la planète, différents acteurs – économistes, scientifiques, ingénieurs et

politiciens – de nombreux pays sont à la recherche de solutions pour diminuer les émissions de

gaz à effet de serre. L’engagement a ainsi été pris par 174 pays en 2015 à Paris lors de la vingt

et unième session de la Conférence des Parties de réduire drastiquement de façon urgente les

émissions de gaz à effet de serre afin de ne pas dépasser les 2°C de réchauffement climatique.

Ceci se traduit par un ensemble de mesures et d’actions bien identifiées selon les secteurs

d’activités et les zones géographiques concernées. Le secteur du bâtiment, que ce soit pour les

phases de construction ou opérationnelles est un secteur connu comme étant responsable d’une

des principales sources d’émission de CO2 de par le monde aussi bien par la production de

matériaux de construction que les consommations énergétiques des bâtiments en phase

d’exploitation (chauffage, ventilation et climatisation) (United Nations Environment

Programme 2009). Afin d’étudier l’impact environnemental d’une construction, les critères de

consommations énergétiques ne sont plus les seuls qui prévalent, dorénavant l’énergie grise des

bâtiments tout au long de leur cycle de vie est de plus en plus prise en compte. [Un bâtiment est

considéré comme absolument durable lorsque son empreinte environnementale annuelle est

moindre que sa charge pour la planète (Nykjær et al. 2017)]. L’impact des matériaux de

construction devient alors prépondérant de même que le choix de rénover des habitations afin

d’en allonger leur durée de vie.

Concernant la France, la priorité a été donnée à la rénovation des bâtiments existants lors du

plan stratégique de transition énergétique afin d’alléger les consommations en énergie du

23

secteur tout en dynamisant l’activité économique (Plan Bâtiment Durable 2015). L’objectif

affiché de ce plan est de réduire de 50% les émissions de gaz à effet de serre du secteur de la

construction d’ici 2030 et de 87% d’ici 2050. Ceci, entre autres, en effectuant la promotion de

bâtiments « bas carbone » tels qu’envisagés par le label E+C- (Ministère et al. 2016). La mise

en place de ce label qui préfigure la future réglementation environnementale intégrera la notion

de frugalité (bâtiment low-tech) non seulement par rapport aux énergies consommées pendant

la durée de vie du bâtiment mais également par rapport à la fabrication et au type dPe matériaux

employés. Un label « bâtiment bas carbone Rénovation » a été mis en place à compter du

premier semestre 2018, celui-ci vise au minimum une division par 2 des émissions de CO2 par

rapport au bâtiment initial. La démarche initiée par L'association pour le développement du

Bâtiment Bas Carbone (BBCA), s’appuie sur la méthode déjà définie pour le bâtiment neuf et

reprend ses 4 indicateurs : construction raisonnée ; exploitation maîtrisée ; stockage carbone ;

économie circulaire. Elle combine l’amélioration du bâti et l’optimisation de la performance

énergétique et valorise la conservation de l’existant, l’amortissement des matériaux, le réemploi

et le recours aux matériaux biosourcés stockeurs de carbone.

Une autre problématique, la raréfaction des ressources naturelles risque de devenir critique, le

secteur de la construction utilisateur de matières tel que le sable, les granulats et des matériaux

issus du pétrole, étant concerné au premier plan. L’utilisation de matériaux issus de ressources

agricoles renouvelables, peu transformées, recyclables et disponibles localement pourra

apporter une réponse pertinente aux défis en cours et à venir.

1.2.2 Impact carbone des rénovations énergétiques

La mise en place d’actions ambitieuses de lutte contre le changement climatique affecte le

secteur de la construction et de l’habitat, ce secteur étant responsable d’1/3 des émissions totales

de gaz à effets de serre selon l’Agence Internationale de l’Energie (INTERNATIONAL

ENERGY AGENCY 2013). En France, les actions en faveur de la rénovation énergétique des

bâtiments ont été identifiées comme ayant le plus fort impact en termes de limitation de gaz à

effets de serre. En ce sens, la stratégie nationale de transition écologique vers un développement

durable pour 2015-2020 a engendré un plan de rénovation énergétique de l’habitat prévoyant la

rénovation énergétique de 500 000 logements par an afin de contribuer à réduire de 38 % la

consommation d’énergie dans le secteur du bâtiment à l’horizon 2020 (MEDDE 2014). Dans

24

ce cadre, a été lancé, entre autres, le plan de rénovation énergétique de l’habitat, dont le

dispositif « J’éco-rénove, j’économise » est opérationnel depuis septembre 2013.

A titre d’exemple, afin de disposer d’un ensemble de données concernant les différents impacts

environnementaux des projets de rénovation énergétique, la région Alsace a mené une étude

d’impact sur 500 projets de rénovations énergétiques performantes, le programme « je rénove

BBC (JRBBC) » en partenariat avec EDF et le centre d'études et d'expertise sur les risques,

l'environnement, la mobilité et l'aménagement (CEREMA) (Transition & Solidaire 2017). Le

label bâtiment bas carbone (BBC) correspondant aux prérequis de performance énergétique

imposés aux constructions neuves par la réglementation thermique 2012. Dans le programme

JRBBC, une empreinte totale de 951 tonnes équivalent CO2, soit 8,6t par chantier de rénovation

en moyenne a été relevée. Rapporté à la surface habitable moyenne des maisons étudiées (145

m²), le taux d'émission des travaux de rénovation énergétique est d'environ 60 kg eqCO2/m².

En décomposant cette empreinte, il apparaît que la plus grande part des émissions de gaz à effet

de serre est liée aux matériaux et produits de construction qui représentent les deux tiers des

émissions totales de dioxyde de carbone. En décomposant à nouveau la part des matériaux, il

apparaît que les lots les plus émissifs sont ceux des travaux de l'enveloppe (murs, combles,

planchers) avec près de 75 % de l'empreinte carbone des matériaux. Un classement qui est

expliqué en grande partie par la quantité de matériaux isolants utilisée et par l'importance des

surfaces d'enveloppe à traiter, pour ce qui constituait par ailleurs la priorité du programme

JRBBC. Enfin, concernant les matériaux d’isolation, l'impact carbone varie selon les matériaux

choisis. Ouate de cellulose, laine de verre ou complexe ouate-fibre de bois présentent les taux

d’émission de CO2 les plus faibles (Transition & Solidaire 2017). Afin de pondérer l'empreinte

environnementale générée lors des travaux, le CEREMA a estimé la durée au bout de laquelle

cette empreinte sera effacée par les gains annuels de gaz à effets de serres évités. Une opération

de rénovation énergétique générant en moyenne 8,6 tonnes de CO2 et le gain étant de 10 tonnes

de CO2 épargnés par an, la compensation de l’impact environnemental des travaux de

rénovation intervient après 10 mois d'exploitation des habitations. Les auteurs de l’étude

concluent ainsi que: "La démarche de rénovation énergétique apparaît donc très pertinente du

point de vue du bilan carbone global. Malgré une phase de chantier émettrice de gaz à effet de

serre, la réduction des consommations énergétiques dues à la rénovation compense très

rapidement les émissions occasionnées".

25

1.2.3 Economie circulaire

Depuis une dizaine d’années, le concept d’économie circulaire se diffuse de plus en plus tant

au niveau des différents secteurs industriels qu’institutionnel, l’Union Européenne ayant mis en

place une initiative dédiée : le « European Union Action Plan for the Circular Economy ». Cette

démarche promeut une approche de l’économie circulaire prenant en compte le cycle de vie de

l’intégralité d’un produit. Ce modèle alternatif favorise la réutilisation, la réparation, la

rénovation, le recyclage, la récupération des matériaux brut ainsi que la valorisation des déchets

et co-produits (EUROPEAN COMMISSION 2015). L’économie circulaire privilégie autant

que possible l’utilisation de matériaux renouvelables (Ghisellini et al. 2016) ainsi, l’emploi de

matière première à base de co-produits de végétaux à croissance annuelle participe à la mise en

place d’un système d’économie circulaire sur un territoire.

L’économie circulaire peut-être déclinée en 7 approches :

1. L’écoconception

2. L’écologie industrielle

3. L’économie de fonctionnalité

4. Le réemploi

5. La réparation

6. La réutilisation

7. Le recyclage

1.2.4 Ecologie industrielle appliquée au secteur du bâtiment

L’écologie industrielle implique l’inclusion des activités humaines dans une approche

systémique liée à un territoire. Mettre en place un écosystème industriel à l’échelle d’un

territoire implique la durabilité et la résilience d’un mode de fonctionnement, notamment,

l’absence de génération de déchets. Ceci est possible lorsque les acteurs industriels travaillent

en synergie, les déchets d’une activité devenant les matières premières de la suivante (Figure

1-1).

26

Figure 1-1. Ecologie industrielle appliquée au bâtiment

Pour ce faire, l’écologie industrielle se base sur quatre principes directeurs :

Boucler : rendre les flux de matière, eau et énergie quasi cycliques

Etanchéifier : minimiser les pertes par dissipation

Intensifier : dématérialiser l’économie

Alléger : décarboner, dé-azoter, …

Afin d’appliquer les principes de l’écologie industrielle au bâti, il convient d’appréhender le

bâtiment comme un écosystème. Par le choix et la mise en œuvre du procédé constructif, la

construction ou rénovation d’un bâtiment doit viser :

Une utilisation rationnelle des ressources et matériaux.

La prévention de déchets

Une flexibilité poussée, anticipant les transformations ultérieures du bâtiment

Le démontage et le recyclage/réemploi d’éléments et matériaux de construction en fin

de vie : Concevoir pour déconstruire et non pour démolir.

Un choix écologique des matériaux de construction

27

Limiter la production de polluants, nocifs pour l’environnement, et réduire la

consommation d’énergie lors de la production des matériaux, de leur transport et de leur

mise en oeuvre

La mise en place d’une filière locale de matériaux ayant un impact environnemental positif

(puits de carbone) et facilement recyclables voire réutilisables s’intègre parfaitement dans la

mise en place de ces objectifs.

1.3 Matériaux de construction dans l’habitat

L’homme passe une partie de plus en plus importante de son temps à l’intérieur de bâtiments

que cela soit son lieu de travail ou son logement. La notion de confort, notamment thermique

devient donc prépondérante par rapport à celle de simple protection face aux intempéries. Cette

fonction de confort thermique passe par le maintien d’une température stable selon les saisons

et différente selon les pièces du logement. Ceci passe par une isolation performante des lieux

de vie. De nos jours, suite à la considération du coût environnemental et économique des

différents modes de chauffage, on observe une demande en matériaux d’isolation en constante

augmentation poussée par les réglementations thermiques successives.

En France, les matériaux d’isolation actuels utilisés en construction neuve et rénovation sont

principalement d’origine minérale (laine de verre et de roche) et pétrochimique (polystyrène

expansé ou extrudé, polyuréthane,…). Toutefois, la part des isolants d’origine naturelle

augmente d’année en année et s’insère totalement dans les logiques d’habitat vernaculaire. Le

marché des isolants biosourcés représente 8% du marché total de l’isolation selon l’Association

Syndicale des Industriels de l’Isolation Végétale (ASIV) avec une croissance de 40% entre 2012

et 2016. La définition du terme biosourcé sur laquelle se base aujourd’hui les travaux pilotés

par le ministère de la transition écologique et solidaire est la suivante: «matériaux et produits

dont une partie des matières premières sont issues du monde du vivant (biomasse végétale et

animale incluant les matières recyclées) ».

1.3.1 Matériaux et réduction des impacts environnementaux

La consommation d’énergie d’un bâtiment dépend fortement des caractéristiques de son

enveloppe. Une isolation thermique optimale des murs extérieurs avec le matériau adéquat, la

bonne épaisseur et sa mise en place correcte permet de diminuer la consommation d’énergie

pour le chauffage et le rafraichissement du bâtiment. Parmi les autres critères à prendre en

28

compte pour le choix du matériau d’isolation selon Schiavoni (Schiavoni et al. 2016), l’isolation

acoustique, la résistance au feu, la perméabilité à la vapeur d’eau ainsi que son impact sur

l’environnement et la santé humaine.

Plus spécifiquement, Carbonaro et al (Corrado et al. 2016) ont effectué une analyse

multicritères comparative d’un projet de rénovation de bâtiment avec des enduits à base de

végétaux. Selon les auteurs, la prise en compte des aspects environnementaux lors d’une

comparaison entre différents matériaux d’isolation permet de rendre plus compétitifs les

matériaux d’origine biosourcée qui auraient autrement été disqualifiés au regard de leurs

performances thermiques moindre que d’autres produits d’origines minérale ou pétrochimique

(Figure 1-2). La différence se comblant lorsque l’on considère l’énergie grise d’un kg de

matériau lors de son analyse de cycle de vie globale.

Figure 1-2. Approche intégrée et par implémentation du choix d’un enduit isolant (Corrado et

al. 2016)

Dans le cas de l’utilisation de terre crue ou de pierres dans la construction d’habitats, Morel et

al (Morel et al. 2001) ont pu établir que la mise en œuvre de ces matériaux à vocation

structurelle lorsqu’ils sont issus de filières locales, permet de réduire drastiquement l’impact

environnemental des constructions en comparaison avec des constructions utilisant des

matériaux à base de ciment ou de terre cuite. Leur étude menée dans le sud de la France permet

d’aboutir, en considérant le cas de figure concerné, que l’énergie utilisée pour la construction

du bâtiment a été réduite de 215% avec en particulier une réduction liée à l’impact du transport

de 453% (Morel et al. 2001). Les auteurs pointent également la nécessité pour un projet voulant

suivre cette voie de commencer par une analyse approfondie des matériaux disponibles sur le

29

territoire ainsi que la nécessaire sensibilisation et formation des professionnels du secteur de la

construction (architectes, ingénieurs et artisans).

1.3.2 Matériaux biosourcés

Les matériaux d’isolation biosourcés permettent d’assurer des bénéfices à la fois

environnementaux et économiques lorsque les épaisseurs sont optimisées tel que cela a pu être

montré par Sagbansua et Adamczyk en Turquie et en Pologne (Sagbansua & Balo 2017),

(Adamczyk & Dylewski 2017).

L’impact environnemental positif de ces matériaux concernant le critère de lutte contre le

réchauffement climatique est dû à la prise en compte du carbone biogénique stocké par les

végétaux (Sierra-Pérez et al. 2015). Ce carbone biogénique correspond au CO2 atmosphérique

absorbé durant la photosynthèse des matériaux issus de végétaux. Ce CO2 est considéré comme

étant « séquestré » à l’intérieur du matériau durant la totalité de sa durée de vie ce qui autorise

à le déduire de son empreinte carbone. Selon les végétaux utilisés, le CO2 a été soustrait de

l’atmosphère dans les 12 mois (selon l’année de récolte) pour les cultures annuelles (paille,

chanvre, tournesol, colza,…) ou bien dans les 5 à 50 ans pour le bois utilisé dans les ossatures

ou fibres isolantes.

Les matériaux comme le charbon ou le calcaire ont également « séquestré » du CO2 mais à des

périodes (plus de 200 millions d’années) ne concernant pas la crise environnementale actuelle

comme le mentionne Lawrence (Lawrence 2015). Cette notion se révèle importante lorsque les

matériaux issus de végétaux remplacent d’autres matériaux générateurs de gaz à effets de serre.

Dans cet ordre d’idées, une étude concernant une construction à base de chaux-chanvre

(Lawrence 2015) a permis de calculer qu’une ossature bois avec remplissage chaux-chanvre

génère une empreinte carbone de -35,5 kg de CO2 équivalent c’est-à-dire que le CO2 équivalent

« séquestré » par 1m2 de mur est de 35,5 kg plus important que l’énergie grise de la construction

(matériaux, transport, énergie,…). Comparativement, un mur en brique au Royaume-Unis

génère +110kg CO2 équivalent.

Il convient de prendre en compte outre les aspects liés au transport, l’impact environnemental

lié à la transformation de certains matériaux biosourcés, celui-ci pouvant ternir le bilan

environnemental d’un matériau d’isolation et le rendre négatif comme cela peut être le cas pour

des panneaux de liège expansé issus d’un processus de transformation énergivore (Schiavoni et

al. 2016).

30

Si la forte porosité de ces matériaux permet d’obtenir des propriétés thermo-hygroscopiques

intéressantes, il en va différemment des propriétés mécaniques en compression, avec une faible

masse volumique engendrée par les granulats végétaux (de l’ordre de 400kg/m3 pour un béton

de chaux-chanvre de formulation « mur ») devient un handicap. Lorsqu’on compare cette masse

volumique avec celle d’un béton à base de ciment classique dit de Portland comprise entre 2000

et 2600 kg/m3, on en déduit que les applications structurelles ne sont donc pas envisageables à

l’heure actuelle avec ce genre de matériaux.

1.3.2.1 Porosité et conductivité thermique

Toutes les matières dites solides sont poreuses, leur porosité allant de moins de 10% pour les

métaux à plus de 99% pour des mousses ou des matériaux fibreux. On distingue cependant

différentes catégories de porosités au sein d’un même matériau (Glé 2014) :

la porosité “occluse” caractérise le volume des pores du matériau ne communiquant pas

avec l’extérieur,

la porosité dite “ouverte” ou “connectée” caractérise le volume des pores qui sont

ouverts sur l’extérieur,

la porosité “totale” est la somme des deux porosités précédentes.

Les pores rencontrés dans les matériaux d’origine végétale sont en général ouverts, surtout pour

ce qui concerne les tissus organiques de faible densité situés à l’intérieur des tiges. Cette

composante du végétal a pour fonction d’alimenter en nutriments les différentes parties de la

plante, la sève doit donc pouvoir remplir les cavités creuses et circuler entre celles-ci.

La présence de porosités dans un matériau impacte fortement sa conductivité thermique. Tout

d’abord, les pores réduisent la surface de section à travers laquelle la chaleur peut être

transportée par les phonons. La diminution de la conductivité thermique dépend donc non

seulement de la fraction volumique des pores p mais aussi de leurs dimensions et de leur

distribution spatiale. Lorsque les pores sont suffisamment volumineux et interconnectés, les

phénomènes de convection deviennent significatifs tels que décrits par Cérézo (Cerezo 2005).

La plus forte diminution de la conductivité thermique intervient lorsque les pores occlus ont la

31

forme de galettes aplaties dans le sens perpendiculaire au gradient de température (Clarke

2003).

Les différents types de porosités décrits par Etienne Gourlay (Gourlay 2013) et Figure 1-3 sont

rencontrés dans les bétons végétaux que ce soit pour les matériaux dont le liant est à base de

terre crue ou à base de chaux dans les bétons de chaux-chanvre. On distingue tout d’abord les

réseaux de porosités ouvertes qui participent aux phénomènes d’absorption hydrique et

acoustique et la porosité fermée agissant sur la conductivité thermique des matériaux isolants.

La définition des pores pour ce type de matériau, en prenant pour exemple les bétons de chanvre

est différente de celle de l’IUPAC et décrit:

des macropores (plusieurs mm de diamètre) dus à l’agencement imparfait des granulats

végétaux dans le mélange ;

des mésopores (de 0,1 mm à 1 mm) au sein des particules et du liant ;

des micropores inter-granulats (inférieurs à 0,01 µm) dans la matrice du liant ;

Figure 1-3. Microstructure du béton de chanvre et description des différents types de

porosités (Delannoy 2017)

La porosité totale des bétons de chanvre pour une formulation de type mur se situe entre 70 et

80% (Glé 2014). L’augmentation des propriétés d’isolation thermique et acoustique apportée

par la forte porosité des bétons végétaux a pour revers de la médaille de diminuer leurs

performances mécaniques, ces dernières ne doivent toutefois pas chuter en deçà de certaines

valeurs compromettant la tenue des isolants sous leur propre poids.

Les enduits terre-végétaux échangent de fortes quantités d’humidité avec l’air ambiant, les

phénomènes d’adsorption physique qui se produisent au sein de ces matériaux peuvent ainsi

modifier sensiblement leurs conductivités thermiques puisque l’air contenu dans

ses pores, qui a une conductivité thermique extrêmement faible (λair = 0,026 W/m-1.K-1), est

32

partiellement remplacé par de l’eau dont la conductivité thermique (λeau = 0,600 W/m-1.K-1) va

augmenter celle du composite en proportion.

1.3.2.2 Porosité et transferts hydriques

Les pores des matériaux issus du parenchyme des tiges des végétaux sont interconnectés. Cette

porosité ouverte, une fois le végétal réduit sous forme de granulat, favorise les échanges de

vapeur d’eau avec l’air ambiant par adsorption physique ou désorption selon que l’humidité de

l’air environnant augmente ou diminue (Collet 2004).

L’adsorption physique peut être décomposée en trois phases distinctes traduisant le

comportement du matériau à l’échelle microscopique. Ces trois étapes sont schématisées sur la

Figure 1-4.

Figure 1-4. Représentation schématique des phénomènes d’adsorption physique dans un pore

(Collet 2004)

Tout d’abord, lors de l’adsorption monomoléculaire, les molécules d’eau sous forme liquide

recouvrent en une couche de l’épaisseur d’une molécule la surface des pores où elles sont

retenues sous l’effet des forces de Van der Waals. Ensuite, lorsque l’humidité relative de l’air

environnant augmente, d’autres couches de molécules d’eau viennent se fixer à la première

engendrant le passage d’une adsorption monomoléculaire à une adsorption poly-moléculaire.

Aux taux d’humidité relative les plus élevés, les couches polymoléculaires se rejoignent et

forment un pont liquide séparé de la phase gazeuse par un ménisque. L’eau est maintenue à la

surface des pores par les forces capillaires, ce qui entraîne le remplissage des pores

les plus fins puis des pores plus gros entrainant un phénomène de condensation capillaire.

33

Les enduits en terre crue sont connus pour développer une forte capacité à réguler l’humidité

ambiante comparés aux enduits conventionnels. Cette capacité s’explique par l’hydrophilie des

plaquettes d’argile qui adsorbent à leur tour les molécules d’eau présentes dans les pores

entrainant un assèchement des pores permettant de retarder leur saturation capillaire (Figures

1-5 et 1-6).

Figure 1-5. Andrea Klinge 2016 (Klinge, Roswag-Klinge, et al. 2016) Texture et adsorption

de vapeur d’eau des enduits et revêtements composés de terre crue

Figure 1-6. Andrea Klinge 2016 (Klinge, Roswag-Klinge, et al. 2016) Texture et adsorption

de vapeur d’eau des enduits et revêtements sans terre crue

1.3.2.3 Porosité et absorption acoustique

Les matériaux absorbants acoustiques poreux développent également des propriétés d’isolation

thermique mais l’inverse n’est pas forcément vrai car pour qu’un matériau poreux développe

des propriétés d’absorption acoustique, les cellules de celui-ci doivent communiquer entre-

elles. En effet, lorsque l'onde sonore pénètre à l'intérieur du matériau, elle y engendre des

Epaisseur d’enduit terre crue

Pores intra liant Plaquettes d’argile

34

frottements, des déplacements de fibres légères et parois souples, entrainant une transformation

d'énergie et un amortissement de l’onde acoustique. La porosité doit donc être de type ouverte.

Un critère additionnel permettant d’engendrer une isolation acoustique étant que les connexions

entre les pores doivent être suffisamment larges. Les principales porosités agissant sur les

propriétés acoustiques sont les porosités inter-granulaire, les connexions entre les cellules

végétales de l’ordre de quelques micromètres se révèlent trop étroites pour dissiper et amortir

les ondes sonores comme cela a pu être observé sur les granulats de chanvre (Glé et al. 2012),

(Degrave-lemeurs et al. 2018). La forte perméabilité engendrée par la présence d’un réseau

poreux de grande dimension et interconnecté va ainsi engendrer une limitation de la réflexion

des ondes incidentes, à plus forte raison si leur état de surface est non homogène. Toutefois, ce

type de matériau ne va pas permettre d’amortir efficacement les ondes acoustiques qui

traverseront les parois.

Les capacités d’absorption acoustique des matériaux poreux dépendent également des gammes

de fréquences émises. En effet, le coefficient d'absorption augmente avec la fréquence, il est

faible aux basses fréquences, et fort aux fréquences élevées. De même, l'absorption aux

fréquences basses est d'autant plus importante que l’épaisseur du matériau est importante et que

ses pores ou cavités sont grandes (Glé 2014).

1.3.3 Matériaux biosourcés et qualité de l’air intérieur

1.3.3.1 Problématique liée aux bâtiments

La qualité de l’air intérieur est un critère souvent pris en compte dans la conception et

l’évaluation des bâtiments, notamment pour ceux destinés au secteur de la petite enfance. Ceci

parait pertinent lorsque l’on considère que l’air intérieur est de 2 à 5 fois plus pollué que l’air

extérieur. L’air intérieur est celui que l’on respire dans l’environnement intérieur non industriel

(habitat, écoles, lieux publics, bureaux et moyens de transports). Ces environnements dans

lesquels nous passons 80 % de notre temps, se retrouvent pollués par des polluants extérieurs,

ou « de proximité » (émanations de la rue, du sous-sol), des polluants provenant du bâtiment

lui-même (ameublement, matériaux de construction, de décoration…), et nos propres activités

(produits d’entretien, encens, tabagisme…). En France, la Commission d’Orientation du Plan

National Santé Environnement 2004 (PNSE) a reconnu la qualité de l’air intérieur comme l’une

des priorités nationales. Elle recommande de « prévenir les risques liés aux expositions dans

35

l’habitat et les autres bâtiments recevant du public”. En 2009 le Grenelle de l’environnement

s’était engagé sur deux points cruciaux pour améliorer la qualité de l’air intérieur : l’étiquetage

des matériaux de construction et de décoration (rendu obligatoire en septembre 2013), et la

surveillance de la qualité de l’air intérieur dans les Etablissements Recevant du Public (ERP).

Depuis 2013, la qualité de l’air intérieur fait désormais partie des priorités de l’Agence

Nationale de Sécurité Sanitaire de l’Alimentation, de l’Environnement et du Travail.

Figure 1-7. Diagramme de Scofield Sterling

Ces aspects se révèlent d’autant plus critiques lorsque l’on considère que l’étanchéité à l’air est

mise en avant tant dans les projets de constructions à basse énergie que les rénovations

énergétiques du bâti. Un air intérieur confiné va avoir tendance à fortement augmenter les effets

négatifs sur la santé humaine par une pollution intérieure excessive liée à des niveaux élevés de

composés organo-volatils (COV) et d’humidités relatives favorisant la prolifération d’éléments

pathogènes (Figure 1-7). De même, malgré le déploiement de systèmes de ventilation

mécanique contrôlée, la tendance de diminuer le taux de renouvellement de l’air intérieur pour

minimiser les déperditions thermiques engendre des problèmes de condensations et de

moisissures. Les systèmes de VMC ayant pour objet de remplir les objectifs suivants :

Réduction de l’humidité intérieure en hiver afin de limiter la formation de

condensation et de moisissures.

Réduction des polluants atmosphériques intérieurs

Réduction des niveaux de CO2 à l’intérieur des pièces.

De plus, un entretien irrégulier des systèmes de VMC au niveau des gaines ajoute un risque de

développement d’éléments pathogènes à l’intérieur de la maison. Les systèmes perfectionnés

de VMC double-flux apportent un surcoût écologique et économique non négligeable et les

36

bénéfices tant environnementaux qu’économiques de ce type de systèmes perfectionnés ne sont

pas assurés. L’idée de mettre en place en complément de la ventilation un système passif

d’amélioration de la qualité de l’air intérieur lié aux matériaux d’isolation et de parement mis

en œuvre parait donc pertinente.

1.3.3.2 Rôle des matériaux dans l’amélioration de la qualité de l’air intérieur

Les matériaux à l’intérieur des habitations contribuent à la mauvaise qualité de l’air mais

peuvent a contrario agir comme des puits pour capter les polluants aériens et l’excès d’humidité

via leur capacité d’absorption. Certains matériaux tels que des panneaux de fibres ont été

spécifiquement étudiés dans cette optique (Silva et al. 2017). Les matériaux naturels utilisés

dans la construction tels que le bois, les fibres végétales et la terre ont en la capacité d’absorber

et de réémettre l’humidité et les polluants intérieurs permettant de réguler les pics de pollution

et d’humidité. D’autres matériaux tels que les mortiers de chaux ou la laine de mouton

développent cet effet de puits en possédant la capacité d’absorber les formaldéhydes et les

COVs sans les réémettre. Ils permettent ainsi d’obtenir une amélioration passive de la qualité

de l’air intérieur (Florbela & Silva 2016). Ces mêmes propriétés ont été étudiées pour des

enduits à base de terre crue dont les propriétés hygroscopiques ont été améliorées par l’ajout de

fibres végétales ou d’aérogels (Klinge, Architekten, et al. 2016). Les auteurs proposant même

la possibilité d’utiliser ces matériaux couplés à une ventilation naturelle comme alternative aux

ventilations mécaniques contrôlées (VMC), Andrea Klinge et al. (Klinge, Fontana, et al. 2016)

considèrent ainsi qu’il est possible de concevoir des intérieurs confortables avec une bonne

qualité sanitaire d’air intérieur et un niveau d’humidité relative stable moyennant l’utilisation

de matériaux naturels peu émissifs, une enveloppe du bâtiment perméable à la vapeur d’eau et

un nombre adéquat d’ouvertures. L’emploi de ce type de matériau va donc au-devant de

préoccupations grandissantes pour la conception et la construction des bâtiments.

1.3.4 Analyse de cycle de vie et impact environnemental

1.3.4.1 Analyse de cycle de vie des agro-matériaux

L’estimation de l’impact des bâtiments sur le climat en utilisant l’approche par analyse de cycle

de vie (ACV), conduit à constater que ceux qui contiennent de grandes quantités de matériaux

biosourcés génèrent moins d’impact (Peñaloza et al. 2016). Les résultats de cette étude

apportent un argumentaire en faveur de ces matériaux et de leur développement en général.

37

Toutefois, la séquestration biogénique du CO2 et l’impact sur le milieu naturel diffèrent selon

le type de matériau végétal employé. En effet, en détaillant les scénarios d’analyse de cycle de

vie, l’utilisation du bois en construction a un impact positif minoré par rapport à des végétaux

à cycle court. Ceci est dû au temps de régénération du bois en forêt qui est similaire voire

supérieur à la durée de vie des bâtiments (Peñaloza et al. 2016). A contrario, les plantes à cycle

annuel comme le colza, le tournesol, le chanvre ou la paille mobilisent les surfaces agricoles

sur une durée nettement plus faible que pour les productions forestières, ainsi, en prenant une

durée égale d’une cinquantaine d’année sur une surface égale, la séquestration de carbone et la

quantité de matériau utilisable sera bien supérieure pour ces cultures que pour les arbres d’une

forêt (Peñaloza et al. 2016). De plus ne s’agissant pas de cultures dédiées, mais de coproduits

végétaux, leur utilisation dans la construction est encore plus vertueuse d’un point de vue

environnemental tout en permettant d’apporter une plus-value économique à l’agriculteur sur

une production à vocation alimentaire.

1.3.4.2 Analyse de cycle de vie des enduits

Les méthodologies d’analyse de cycle de vie ont été utilisées par Melià et al (Melià et al. 2014)

lors d’une comparaison des impacts environnementaux entre des enduits en terre crue et des

enduits à base de ciment et d’argile. Etant donné que l’impact environnemental le plus

important des enduits est dû à la consommation d’énergie nécessaire à leur production, la terre

crue non transformée surpasse les enduits conventionnels nécessitant une cuisson à haute

température sur les différents indicateurs médians (demande d’énergie cumulée, protocole de

gaz à effets de serre, empreinte écologique) et ultimes (selon la méthode ReCiPe). En effet,

lorsque cette énergie nécessaire est issue de sources fossiles, elle impacte négativement de 63

à 85% le bilan environnemental (Melià et al. 2014). L’impact négatif le plus important

provenant des émissions de CO2 dues au processus de calcination lors de la fabrication du

ciment. Concernant la terre crue, l’impact le plus élevé est lié à son transport d’où l’intérêt de

disposer de sources locales d’approvisionnement. Dans cet ordre d’idée, il est à noter que

l’emploi de pigments colorés utilisés pour le rendu esthétique des enduits de finition peut

annuler le bénéfice environnemental de l’emploi de la terre crue lorsque ces pigments

proviennent de carrières éloignées du chantier (Melià et al. 2014).

L’utilisation de fibres végétales pour des productions autres qu’alimentaires impacte de façon

négative l’indice de bilan environnemental lié à l’occupation de terres agricoles. Cependant,

s’agissant de coproduits végétaux et non de cultures dédiées à la production de matériaux, ces

38

impacts deviennent négligeables en termes de conséquences sur l’environnement et la santé

humaine. Il convient également de constater que les coproduits végétaux ont généralement pour

vocation de servir d’amendement sur les parcelles de culture permettant un apport en azote,

phosphore, potassium et en matière organique. Cette vocation est moins prégnante pour le

tournesol dont la moelle présente peu d’intérêts en terme d’amendement en revanche,

concernant le colza, le taux de prélèvement de la paille permettant de ne pas diminuer

significativement la fertilité des sols est de 1 pour 6 (Théophile & Sacher 2017). Le choix des

matériaux est par conséquent fortement dépendant du territoire sur lequel une filière de

construction durable se mettra en place.

1.4 Le projet BIOCOMP

1.4.1 Enjeux et contexte

1.4.1.1 Résilience des territoires

La déclinaison au niveau local des enjeux environnementaux concernant les différents secteurs

d’activités (bâtiment, transports,…) induit une nouvelle économie décrite par Jean Ollivro

(Ollivro 2012), plaidant pour une nouvelle approche du développement économique et social

des territoires qui se construit avec l'équation: « globale + locale = glocal », ce terme dérivant

de l’aphorisme « penser global, agir local ». Attribuée au biologiste et écologue français René

Dubos, cette formule citée dès 1972 forme les bases de la notion de développement durable.

Cette nouvelle stratégie de développement des territoires entraine une relocalisation de

l’économie fondée entre autres sur la valorisation des ressources présentes, dans une optique

d’optimisation des échanges locaux. Ce mode de fonctionnement axé sur l’échelle d’un

territoire limité a également été mis en pratique par les multiples initiatives de transition.

Lorsque l’on évoque les territoires en transition, il s’agit à la base d’un passage entre une société

fortement dépendante du pétrole vers un mode de fonctionnement adapté à une échelle réduite

de territoire permettant de supporter les chocs liés à la raréfaction des ressources en matières

premières, énergétiques et économiques. Brian Walker (Walker et al. 2006) attaché de

recherche à la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization apporte la

définition suivante : « La résilience d’un territoire est sa capacité à absorber des perturbations

et à se réorganiser, de manière à ce qu’il puisse conserver les mêmes fonctions, la même

39

structure, la même identité et les mêmes capacités de réaction ». Un territoire en transition est

un territoire émettant également drastiquement moins de gaz à effets de serre et donc à même

de répondre aux enjeux environnementaux de ce siècle. L’initiative d’un bassin d’activité situé

en Sud Touraine de mettre en place une filière de rénovation des bâtiments passant par la

production locale de matériaux d’isolation entre entièrement dans cette dynamique. Les acteurs

de ce territoire sont partis de la nécessité pour les habitants d’améliorer les performances de

leur habitat. La mise en place d’un programme de rénovation énergétique aura un impact

économique, social et environnemental dans le Pays Touraine Côté Sud. Lorsque la réflexion

sur la mise en place d’une filière intègre l’ensemble des acteurs depuis les potentiels

producteurs de matériaux (les agriculteurs) à ceux qui vont les proposer et mettre en œuvre

(maîtres d’œuvres, artisans) en passant par les incitations et la commande publique locale, les

différents ingrédients d’une démarche participant à la résilience du territoire sont réunies.

Lorsqu’ils sont peu transformés et dépourvus d’additif à forte énergie grise, ces matériaux

biosourcés sont considérés comme « low-tech ». Cette opposition entre deux approches se

décline au niveau des outils et moyens mis en œuvre pour réduire la consommation énergétique

des bâtiments. L’efficacité énergétique d’un bâtiment semble plus facilement atteignable par la

mise en place des matériaux d’isolation les plus performants comme le polyuréthane et plus

encore, les isolants sous vide ou les aérogels de silice qui permettent d’atteindre des niveaux de

conductivité thermique inatteignables par les isolants biosourcés. La course vers la performance

énergétique des bâtiments implique un surcoût environnemental, en termes d’émissions de gaz

à effets de serre lié aux matériaux et équipements. Sur la durée d’exploitation d’un bâtiment,

ces impacts deviennent conséquents par rapport aux consommations énergétiques économisées

pour le chauffage ou le refroidissement des espaces. En prenant en considération cet aspect,

l’utilisation d’un matériau peu transformé issu de la biomasse (Figure 1-8) même moins

performant en termes de résistance thermique devient pertinente.

40

Figure 1-8. Emission de gaz à effets de serre évité pour un apport d'isolation supplémentaire

de R=1,8 à un mur existant de résistance thermique R=2,7 pour une chauffage au gaz © 2015

Third Level Design

Les matériaux biosourcés permettent de diminuer les conséquences sanitaires liées aux

émissions de composé organo-volatiles et permettent le réemploi, recyclage ou compostage.

Concernant cette dernière problématique, en 2020, au moins 70% des déchets de

(dé)construction devront être recyclés pour se conformer aux exigences européennes, il s’agit

là d’une étape nécessaire pour se diriger vers une économie circulaire.

1.4.1.2 Freins à l’utilisation des éco-matériaux

Une des plus grandes difficultés rencontrées pour l’utilisation des mélanges terre-végétaux

identifiée par les artisans est liée à leur longue durée de séchage et aux conséquences que cela

engendre : les délais de finalisation des chantiers (réoccupation des espaces et application de

l’enduit de finition) ainsi que le risque élevé d’apparition de moisissures. A l’heure actuelle, la

technique de banchage ne peut être appliquée que pour des chantiers en période chaude

permettant une excellente ventilation. Le projet régional BIOCOMP impliquant des chercheurs

avec une démarche scientifiques, des artisans et des agriculteurs locaux avec un retour

d’expérience, a été mis en place pour comprendre le comportement des matériaux, et proposer

des solutions de mise en œuvre sur les chantiers de rénovation en sud Touraine.

41

D’un point de vue général, si les incitations à l’utilisation de matériaux biosourcés dans les

bâtiments sont de plus en plus nombreuses et que, de même couverture médiatique et le nombre

d’études dédiées à ces sujets croit sans cesse, en pratique la part de marché des matériaux

biosourcés reste très minoritaire par comparaison avec les matériaux conventionnels à cause

des exigences normatives et de certification. Il apparait difficile d’imaginer aujourd’hui que

l’utilisation de ces matériaux apportera un impact important pour la lutte contre les GES ou que

les filières locales d’agromatériaux puissent se généraliser et se développer sereinement sans

aide. L’application de matériaux d’origine biosourcée pour des projets de rénovation se heurte

effectivement à de nombreux écueils comme a pu le souligner Sophie Claude dans le cadre d’un

projet de rénovation urbaine (Claude et al. 2017).

Il en est de même pour les filières terre-crue pour lesquelles de nombreuses difficultés freinant

leur développement ont été identifiées lors de l’étude de Leylavergne (Leylavergne 2010).

Plusieurs études menées au Royaume-Unis ont eu pour objet d’identifier les freins à l’utilisation

de matériaux durables « alternatifs », Giesekam et al ont répertorié ces données auprès de

professionnels de la construction et de dirigeants d’entreprises au Royaume-Unis afin d’aboutir

à des recommandations à considérer par les différents maillons de la chaîne de décision afin

d’aboutir à une augmentation de leur utilisation (Giesekam et al. 2016).

1.4.1.3 Difficultés rencontrées face à l’application de la réglementation thermique des

bâtiments existants

Les chantiers de rénovation sont soumis également à des contraintes liées à la réglementation

thermique. Les règles applicables concernant les exigences de performances thermiques sont

stipulées dans le document RT existant « élément par élément : Arrêté du 3 mai 2007 relatif

aux caractéristiques thermiques et à la performance énergétique des bâtiments existants » dont

l’article 3 précise que l’association paroi existante / isolant doit présenter une résistance

thermique minimale pour les murs extérieurs de R = 2,3 m²K/W pour la zone H2 dans laquelle

se situe l’Indre et Loire. Il est également stipulé dans l’article 5 que les travaux ne doivent pas

dégrader la qualité de l'air à l’intérieur de l’habitat.

Suite au travail de réflexion et de mise en relation des différents partenaires présents sur le

département de l’Indre et Loire et en Région Centre-Val de Loire travaillant sur la mise en place

de filières locales de matériaux biosourcés pour le bâtiment, est apparue l’opportunité d’intégrer

un volet recherche impliquant les universités de Tours (Laboratoire de Mécanique et de

42

Rhéologie) et d’Orléans (Laboratoire PRISME) en lien avec des partenaires du Pays Touraine

Côté Sud : un artisan spécialiste des matériaux biosourcés et la collectivité qui elle-même est

en lien avec un groupement d’agriculteurs. Cette collaboration a donné lieu à la mise en place

d’une thèse doctorale ayant pour objet la caractérisation d’enduits terre-crue/végétaux pour

l’isolation des bâtiments et l’amélioration des formulations existantes dans le cadre du projet

BIOCOMP.

1.4.1.4 Rénovation du patrimoine bâti en Sud Touraine : notion d’habitat vernaculaire

La notion d’architecture vernaculaire fait référence, depuis les années 1980, à une architecture

conçue en harmonie avec son environnement, en rapport avec l’aire géographique qui lui est

propre, son terroir et ses habitants. En effet, De par le monde, le patrimoine bâti a été élaboré

jusque récemment en utilisant les ressources disponibles dans un rayon proche, de l’ordre de

quelques kilomètres ainsi que par les contraintes climatiques inhérentes aux espaces

géographiques concernés.

Parce qu’elle s’inscrit dans des démarches d’urbanisme durable et de valorisation du patrimoine

local et qu’elle présente de nombreux avantages à la fois environnementaux, sociaux et

économiques, l’architecture vernaculaire fait aujourd’hui l’objet d’un regain d’intérêt de la part

de nombreux acteurs (collectivités, institutions publiques, entreprises, etc.). Cette inscription

territoriale engendre une implication renforcée des acteurs locaux (démarches de concertation,

renforcement d’un lien identitaire entre les habitants et leur territoire, etc.). Elle permet de

réinscrire des circuits courts, d’offrir de nouveaux débouchés aux secteurs agricole et industriel

locaux via la valorisation de coproduits ou leur recyclage tout en apportant du travail aux

artisans locaux, en France comme dans d'autres pays.

La pierre de tuffeau sous forme de pierre de taille ou de moellon constitue la base de l’habitat

de Touraine, cette pierre calcaire très poreuse a la faculté d’absorber l’eau rapidement et en

grande quantité (Stephan 2014). La DREAL (Direction Régionale de l’Environnement de

l’Aménagement et du Logement) des pays de la Loire préconise ainsi de privilégier la continuité

capillaire pour isoler ce type de paroi à l’aide d’enduit perspirant type chaux-chanvre.

En effet, l’isolation ou la mise en place de parements sur des parois en tuffeau avec des

matériaux peu perspirants utilisés communément tels que le ciment ou le polystyrène expansé

43

tendent à faire stagner l’humidité dans la paroi et fragiliser la structure de la pierre et son

jointoiement lorsque celui-ci a été réalisé à la terre.

Prenant en compte cette contrainte ainsi que l’absence de filière chanvre locale et de production

de chaux sur le territoire, la décision a été prise d’utiliser les cultures agricoles existantes

comme source d’approvisionnement en granulats végétaux et d’investiguer les ressources

disponibles en termes d’approvisionnement en terre crue sur le territoire dans le cadre du projet

BIOCOMP.

1.4.1.5 Mise en place d’une filière d’éco-construction dans le Pays Touraine Côté Sud

Suite à la mise en place d’un agenda 21 élaboré en juillet 2012, les élus du Pays Touraine Côté

Sud ont eu la volonté de créer une filière d’éco-construction capable d’offrir des solutions

depuis la production de matériaux jusqu’à la mise en œuvre de constructions neuves (paille) ou

de répondre aux problématiques de rénovation énergétiques spécifiques liées à l’habitat local.

Le développement de cette filière d’éco-construction a pour vocation de travailler sur trois

axes :

1. La fabrication d’agro-matériaux locaux

2. L’accompagnement des entreprises du bâtiment

3. L’amélioration des bâtis du territoire, publics et privés, en neuf et en rénovation.

Ainsi, le besoin d’impliquer une démarche scientifique pour développer cette filière tout en

faisant face aux défis rencontrés s’est rapidement fait sentir dans le but de la mise en place du

projet BIOCOMP.

1.4.1.6 Production agricole

Le Pays Touraine Côté Sud se situe dans le sud de la région Centre Val de Loire, le climat de

cette zone permettant une diversité de culture. En 2015, en Indre et Loire, 37600 ha de colza et

20900 ha de tournesol ont été cultivés. Dans le but de développer une filière de production

d’agro-matériaux, il est apparu pertinent aux élus, chargés de missions et chambres consulaires

du territoire de se baser sur ces cultures existantes plutôt que d’envisager la création d’une

filière plus spécifiquement dédiée à l’éco-construction comme le chanvre. Effectivement, la

production et transformation du chanvre en fibre et chènevotte en vue de sa valorisation par

voie sèche sous forme de laine de chanvre ou par voie humide via les bétons de chaux-chanvres

existe à différentes échelles sur différents territoires français mais nécessite pour les agriculteurs

44

de se former à cette culture quasiment disparue du territoire. De même, les frais nécessaires

pour la mise en place d’une unité de défibrage semi-industrielle se révèlent prohibitifs.

Parallèlement, les premières études sur la valorisation de ces végétaux en granulats pour la

construction commençaient à être publiées d’abord sur le tournesol en 2010 (Magniont 2010)

et 2012 (Vandenbossche et al. 2012), (Nozahic 2012) puis sur le colza en 2014 (Lenormand et

al. 2014) et 2016 (Chabriac et al. 2016). Les agriculteurs du groupement de développement

agricole (GDA) de Montrésor − territoire à L’Est de Loches − partenaires de la collectivité

possèdent une expérience de ces deux cultures ainsi que des capacités de broyage et tri des

granulats. La surface de tournesol produite par les agriculteurs membres du projet est de 60ha

en 2016. Ils se sont constitués en association pour pouvoir fournir 2 types de granulats issus de

colza et de tournesol broyés en axant leurs travaux sur les problématiques de la récolte et de la

transformation (broyage, séparation, dépoussiérage). Avec ce débouché supplémentaire les

membres de l’association espèrent valoriser davantage leurs productions notamment de

tournesol.

D’autres végétaux présents sur le territoire pourraient également être valorisés sous forme de

granulats tels le miscanthus, le roseau, le maïs et le lin oléagineux. L’intérêt de diversifier les

espèces végétales serait de permettre à une unité de transformation des granulats de fonctionner

tout au long de l’année en étant moins dépendant d’aléas sur une culture particulière, les récoltes

s’effectuant à différentes périodes selon les cultures (colza : printemps-été, tournesol : automne,

miscanthus-roseau : hiver).

1.4.1.7 Choix des granulats végétaux

Les deux cultures choisies pour être valorisées dans la filière d’agro-matériaux du PTCS sont

le tournesol et le colza. Ces deux végétaux sont des oléagineux dont les graines sont récoltées

puis pressées pour obtenir de l’huile végétale. La récolte de la paille de colza ne pose pas de

problèmes particulier tant par rapport aux dates de récoltes (juin-juillet) a une période où

l’accessibilité aux parcelles est aisée que pour sa manutention, les pailles pouvant être

conditionnées en bottes rondes ou carrés. La récolte du tournesol s’effectue quant à elle en

octobre-novembre. Après un premier passage pour récolter la graine, les tiges (cannes) de

tournesol sont laissées sur pied une dizaine de jour pour évacuer l’eau contenue dans la tige

avant d’être récoltée et stockées pour qu’elles finissent de sécher. Lors de cette période,

l’accessibilité aux champs est régulièrement compromise du fait des précipitations pouvant aller

45

jusqu’à l’impossibilité de récolter. Il s’agit également d’une période de semis pour d’autres

cultures les agriculteurs sont par conséquent peu enclin à mobiliser les parcelles pour permettre

aux cannes de sécher. Pour ces raisons, baser la filière du PTCS uniquement sur les granulats

de tournesol parait hasardeux.

Si la paille de colza une fois récoltée et stockée ne nécessite qu’un simple broyage et calibrage

pour obtenir des granulats conformes au label construire en chanvre, le processus de

transformation de la canne de tournesol est plus complexe. La partie externe boisée de la canne

de tournesol : l’écorce possède une masse volumique 8 fois supérieure à celle de la partie

interne : la moelle. Les caractéristiques de ces deux constituants sont très différentes d’où la

nécessité de les séparer. De plus, en Touraine, une pellicule brune sur la partie extérieure de

l’écorce se développe naturellement sur la tige de tournesol en fin de croissance la recouvrant

et engendrant une forte production de poussière lors du broyage. Toutefois, à la fois l’écorce et

la moelle sont valorisables en tant que granulats végétaux avec des problématiques de

formulation et mises en œuvre différentes. Les cannes, une fois broyées vont donc devoir subir

un processus pour séparer la moelle de l’écorce et dépoussiérer les granulats.

1.4.2 BIOCOMP : programme scientifique

Le projet BIOCOMP financé par la région Centre Val de Loire dans le cadre d’un appel à projets

est issu de la rencontre en 2013 entre une collectivité locale, le Pays Touraine Côté Sud et, un

artisan spécialiste des bétons végétaux Éric Julien et le laboratoire de Mécanique et de

Rhéologie de l’université de Tours. Ce projet issu de problématiques liées à un territoire, a pour

objectifs de comprendre le comportement des matières premières choisies localement pour le

développement des éco-matériaux, optimiser la formulation des bio-composites et les

caractériser afin de comprendre leur comportement hygrothermique pour proposer aux artisans

un cahier des charges pour les matières premières et des règles de mise en œuvre de matériaux

biosourcés pour l’isolation des bâtiments. Une première partie du projet a été consacrée à

l’étude des matières premières liant et végétaux (sélection, taille, propriétés physiques…) ainsi

qu’à l’optimisation de la formulation des mélanges à partir d’une formulation artisanale. Une

seconde partie a été dédiée à l’étude des propriétés thermiques des bio-composites en prenant

en compte la variation du taux d’humidité et de la masse volumique. Une troisième partie du

projet s’est intéressée à l’étude de l’influence de l’enduit de finition à base de terre sur les

46

propriétés thermiques, acoustiques, et hydriques des biocomposites pour répondre aux besoins

de mise en œuvre et aux difficultés rencontrées sur les chantiers de rénovation.

1.5 Conclusion

Le soutien de la Région Centre-Val de Loire au projet BIOCOMP va dans le sens de la mise en

place de politiques de transitions énergétiques à l’échelle de bassins de vie. La déclinaison de

ce projet a pour objectif de réduire l’empreinte énergétique du Pays Touraine Côté Sud tout en

développant l’activité artisanale, en permettant aux agriculteurs de générer davantage de marges

sur leurs cultures de tournesol et de colza et en générant une activité économique annexe liée

au conseil, à la formation ainsi qu’à la transformation et commercialisation d’isolants

biosourcés. Outre la réduction des impacts environnementaux engendrée par l’utilisation de tels

matériaux, les porosités rencontrées dans les bétons terre:granulats végétaux engendrent un

apport de performances aux niveaux hygrothermiques, acoustiques ainsi qu’en amélioration de

la qualité de l’air intérieur. Ces propriétés sont directement reliées à la nature des matières

premières utilisées (liant et granulats) que nous développons dans le deuxième chapitre.

47

2 Caractérisation des matières premières et formulation

des biocomposites

2.1 Introduction

Après avoir exposé le contexte global du recours aux matériaux d’isolation à base de végétaux,

les objectifs du projet BIOCOMP, et une revue de la littérature concernant les avantages et les

limites d’utilisation de la terre-crue et les matériaux biosourcés face aux défis rencontrés par le

secteur des matériaux d’isolation pour le bâtiment, nous nous intéressons dans ce chapitre d’une

part à l’étude et la caractérisation des matières premières que l’on désire utiliser, et d’autre part

aux procédés de formulation, de fabrication et d’optimisation des biocomposites.

Lorsque l’on évoque la performance des matériaux isolants pour le bâtiment, l’aspect thermique

est souvent prépondérant. Ces performances isolantes sont reliées à la capacité des matériaux à

emprisonner l’air (voir le vide) sans phénomènes de convection. La conductivité thermique est

donc reliée à la densité des matériaux et à leur porosité. Les granulats végétaux utilisés dans les

matériaux d’isolation sont constitués par le parenchyme végétal qui induit la présence de

macroporosités de différentes tailles selon l’espèce végétale utilisée et la partie de la plante

concernée. La porosité des granulats végétaux a donc été caractérisée ici à la fois par

microscopie électronique à balayage et par porosimétrie à air. Cette porosité est reliée à la masse

volumique des granulats qui est également reliée à leur conductivité thermique. Ces différentes

propriétés des granulats utilisés ont par conséquent été mesurées de même que leurs

caractéristiques d’absorption capillaire.

La terre-crue ayant pour origine la dégradation des roches mères a été utilisée dans l’habitat

traditionnel dans de nombreux pays depuis des milliers d’années que ce soit en utilisation

structurelle (briques d’adobe, pisé, bauge) ou en remplissage d’ossature (torchis). Cette dernière

est dorénavant supplantée par d’autres matériaux minéraux comme le ciment de Portland ou la

chaux nettement plus performants mécaniquement lorsqu’ils sont utilisés comme liant pour

l’élaboration de bétons. Les liants minéraux tels que le gypse utilisé pour l’élaboration du plâtre

n’étant pas disponibles sur tous les territoires, le calcaire et l’argile nécessaire à la fabrication

de chaux ou de ciment quant à eux se trouvent plus abondamment répartis en France, mais les

structures industrielles permettant leur fabrication ne sont pas systématiquement présentes sur

48

chaque zone géographique. En revanche la terre-crue, mélange de particules de différents

diamètres (argiles, silts, sables et graviers) composant les sols outre son avantage

environnemental de ne pas nécessiter de cuisson fortement émettrice de gaz à effets de serre

pour être utilisée en tant que liant, est présente de façon uniforme en France, elle se trouve

comme co-produits de sites d’extraction de sable, de pierre via les résidus de lavage ou est

extraite directement en vue d’une utilisation avec ou sans cuisson. Pour être compatible avec

une utilisation dans la construction d’édifices, la répartition des différents éléments de la terre-

crue ainsi que le type d’argile qui la compose doivent être caractérisés en amont. Les

proportions et compositions des terres disponibles connues, un choix pourra être effectué quant

au type d’utilisation pour laquelle elle est compatible. L’argile disponible caractérisée ici a été

comparée à celles utilisées dans d’autres projets utilisant des mélanges terre-crue granulats-

végétaux afin de cerner des caractéristiques générales.

Concernant les biocomposites caractérisés dans cette étude, l’hétérogénéité des granulats

végétaux, les différences de fraction volumique entre le liant et les granulats ainsi que les

contraintes de compactage différentes vont induire des propriétés thermiques et mécaniques

différentes.

Le protocole d’élaboration des biocomposites (liant terre-crue et granulats végétaux) est inspiré

des techniques de mise en œuvre par banchage utilisées en Indre et Loire, les proportions ont

préalablement été testées conjointement avec des artisans utilisateurs de biomatériaux sur

chantiers. Le protocole, les proportions (et donc les masses volumiques engendrées pour les

différents biocomposites) étudiés en vue d’une optimisation des performances sont décrits en

dernière partie de ce chapitre.

2.2 Transformation des végétaux et séparation

L’outil de transformation développé par les membres du GDA de Montrésor a évolué depuis

un simple passage à l’ensileuse et un broyage sommaire via des moissonneuses batteuses

modifiées en 2013 à un passage dans un bol broyeur équipé de grilles de tamis de différentes

dimensions permettant d’aboutir à un granulat de diamètre inférieur à 15mm, dépoussiéré

susceptible de répondre aux exigences du label granulat chanvre mis en place par l’association

« construire en chanvre » éditrice des règles professionnelles de la construction en chanvre

(Association Construire en Chanvre 2012). La paille de colza ne nécessitant pas d’étape de

défibrage ou séparation subit un simple broyage/calibrage/dépoussiérage.

49

Les cannes de tournesol nécessitent une étape supplémentaire dont l’objectif est la séparation

de la partie extérieure rigide de la tige (l’écorce) et de la partie interne nettement moins dense

(la moelle). En effet le groupement d’agriculteur est intéressé à valoriser ces deux produits

séparément pour des utilisations différentes.

Cette séparation n’est à l’heure actuelle pas encore totalement optimisée, les méthodes de triage

par soufflerie semblant donner les résultats les plus satisfaisants.

2.3 Préparation au laboratoire

Le GDA de Montrésor a fourni au Laboratoire de Mécanique et de Rhéologie de Tours (devenu

depuis le Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé) des granulats végétaux ayant subi un

premier broyage concernant les tiges de tournesol ainsi que de la paille de colza non broyée.

Les granulats de tournesol subissent un premier tri dans l’atelier de transformation du GDA

permettant d’obtenir des sacs de granulats avec prédominance de moelle ou d’écorce. Avant

l’acquisition d’un bol broyeur, les végétaux étaient broyés via une ligne de transformation

composée de moissonneuses batteuses et permettant d’aboutir à des granulats grossier (voir

distribution granulométrique Figure 2-1). Un second broyage a par conséquent été nécessaire

afin d’obtenir une taille de granulat conforme à l’élaboration d’éprouvettes au laboratoire

(Figure 2-2) en s’inspirant des prérequis exigés pour les granulats de chènevotte édictés pour

les règles professionnelles de la construction en chanvre (Association Construire en Chanvre

2012). Ce broyage a été effectué dans les locaux du CERMEL (Centre d’Etude et de Recherche

des Matériaux Elastomères de l’Université de Tours) à Joué-lès-Tours avec un broyeur à

couteaux Retsch SM100 en utilisant des grilles de 10mm. Les différents granulats broyés sont

présentés sur la Figure 2-3. L’écorce de tournesol quant à elle, ne nécessitait pas de tri

supplémentaire, la moelle présente en faible quantité ne représentant qu’une infime proportion

massique. En revanche, la forte présence de poussière dans ces granulats d’écorce après broyage

a nécessité de les passer à un tamisage de 1,6mm. L’origine de cette poussière est due en grande

partie à la décomposition d’une pellicule brune présente sur la partie externe de l’écorce.

Concernant la moelle de tournesol, la présence de granulats d’écorce impacte fortement la

masse volumique, une étape de tri manuelle s’est donc avérée nécessaire avant broyage afin

d’améliorer la pureté des granulats permettant de diminuer fortement leur masse volumique.

50

Figure 2-1. Distribution granulométrique des granulats de tournesol (Chabannes 2012)

Figure 2-2. A gauche : mélange moelle-écorce de tournesol grossièrement broyée après

51

passage à l’unité de transformation du GDA Montrésor, au milieu écorce de tournesol après

broyage au laboratoire à droite, moelle de tournesol après broyage au laboratoire

Figure 2-3. Granulats végétaux broyés : En haut à droite: SB, haut à gauche: SP, bas à droite:

RS, bas à gauche: SBP

Les granulats utilisés finalement pour la confection des échantillons de bio-composites sont

désignés par : RS (Rape Straw) pour le colza, SB (Sunflower Bark) pour l’écorce de tournesol,

SP (Sunflower Pith) pour la moelle de tournesol et SBP (Sunflower Bark and Pith) pour le

mélange moelle-écorce de tournesol. Le mélange SBP a une masse volumique variant selon les

échantillons récupérés, mais reste néanmoins légèrement inférieure à celle de RS. Dans

l’objectif de fixer la masse volumique de SBP, celle-ci a été systématiquement ajustée à la

valeur de celle de RS pour faciliter également la comparaison entre les granulats. Cet ajustement

a été réalisé en faisant varier la proportion d’écorce dans les mélanges SBP à disposition jusqu’à

obtenir une masse équivalente à celle de RS pour un même volume.

52

2.4 Terre crue

Compte tenu des objectifs du projet à savoir la valorisation de matériaux locaux du territoire du

Sud-Touraine allié à un faible impact environnemental, un liant à base de terre crue a été choisi

pour élaborer les bio-composites. En effet, l’étude de l’analyse de cycle de vie du béton de

chanvre réalisée par Sylvie Prétot et Florence Collet (Pretot et al. 2014) révèle un matériau

respectueux de l’environnement et qui pourrait l’être davantage en diminuant l’impact du liant

(chaux). Le bilan environnemental des liants hydrauliques ou aériens est fortement terni par

leur cuisson. Cette absence de cuisson est par conséquent l’un des principaux intérêts de la

substitution de la chaux par la terre crue a fortiori si celle-ci est extraite localement. Les

propriétés hygroscopiques et la compatibilité des propriétés liantes de l’argile avec les granulats

végétaux sont autant de caractéristiques supplémentaires en faveur de l’emploi d’un liant à

l’argile comme cela a été réalisé pour remplacer pour des composites terre:chanvre pour se

substituer au chaux : chanvre (Degrave-lemeurs et al. 2018), (Mazhoud et al. 2016) ou pour la

mise en place de matériaux composites à base de typha australis (Samin 2017).

Dans le cadre de l’étude de la mise en place d’une filière d’éco-construction en Sud-Touraine,

le territoire du Pays Touraine Côté Sud a identifié deux sites potentiels d’approvisionnement

en terre crue. Le cahier des charges des artisans étant de pouvoir disposer d’une terre-crue à

forte proportion d’argile afin que les propriétés cohésives du liant soient optimisées afin de

minimiser les proportions de terre-crue et ainsi avec pour objectif d’optimiser les propriétés

isolantes des enduits terre-végétaux. La terre-crue recherchée doit permettre de correctement

lier et enrober les fibres à l’état liquide et, une fois sèche, être suffisamment résistante.

Dans cette optique, le terme d’enduits en terre-allégée tel qu’indiqué par Franz Volhart

(Volhard 2016) : « Tout comme pour le torchis et l’adobe, la terre allégée est un mélange de

terre et de fibres ou d’autres composants légers, mais sa différence réside dans le fait que

l’argile (ou terre argileuse) ne constitue pas la matrice principale du matériau. Elle n’est que

le liant des fibres qui forment ici le principal composant du volume du matériau », convient par

conséquent pour dénommer les biocomposites étudiés ici.

2.4.1 Bac de rétention d’argile

Les carrières d’extraction de sable situées le long de l’ancien lit des rivières Vienne (Parçay sur

Vienne, Marcilly sur Vienne (Figure 2-4)) et Cher (Saint-Aignan sur Cher), filtrent le sable du

53

sous-sol et stockent les eaux de lavages limono-argileuses dans des bassins de rétention. Ces

bassins sont curés périodiquement permettant la récupération de quantités importantes de terres

limono-argileuses. Ces dernières n’ont pas été retenues par le projet car n’étant pas broyées et

criblées, elles contiennent des cailloux et graviers ainsi qu’une part plus ou moins importante

d’humus. Cette ressource disponible sur de nombreux territoire est toutefois exploitée pour

d’autres projets de recherches, notamment concernant le terre-chanvre (B. Mazhoud et al.

2017).

Figure 2-4. Carrière de sable Sograco Marcilly sur Vienne

54

2.4.2 Carrière de La Rouchouze

La carrière de terre de La Rouchouze est exploitée sur la commune de Langeais historiquement

pour la fabrication de briques réfractaires et plus récemment pour la réalisation de faïences,

sculptures et les enduits. L’atelier de cette briqueterie (Figure 2-5) a conservé les outils de

broyage, criblage permettant de fournir une terre crue calibrée pour la préparation de terre crue

ou cuite sous différents formats. Cette terre crue est appréciée des éco-constructeurs locaux car

étant de couleur claire, elle autorise l’utilisation de pigments pour obtenir différentes teintes

d’enduits de finition de façon similaire à certains enduits décoratifs du commerce.

55

Figure 2-5. Site d’extraction de terre-crue du site de La Rouchouze haut et atelier de broyage

(bas gauche) et malaxage mise en forme (bas droite)

2.5 Méthodes de caractérisation des matières premières

2.5.1 Caractérisation des granulats

2.5.1.1 Masse volumique en vrac

La masse volumique des granulats végétaux a été déterminée en suivant les recommandations

du RILEM Technical-Committee 236. Les granulats ont été placés à l’étuve à 50°C jusqu’à

stabilisation de leur masse (écart inférieur à 0,1% entre 2 mesures à 24h d’écart) et versés dans

un récipient cylindrique de 15 cm de diamètre et 25 cm de haut jusqu’à la moitié de sa hauteur.

Le cylindre a ensuite été bouché et renversé 10 fois. Suite à cette étape, le volume final

correspondant a été marqué et ce volume a été rempli avec de l’eau et pesé.

La masse volumique en vrac a été calculée à l’aide de l’Equation 1:

𝜌 = 𝑀𝑀𝑤

⁄ . 𝜌w (1)

Avec:

ρ : Masse volumique du granulat (kg/m3);

M : Masse du granulat à sec (g);

Mw : Masse d’eau correspondant au volume de granulat (g);

ρw : Densité de l’eau (1000 kg/m3) ;

56

2.5.1.2 Microscopie électronique à balayage.

Dans l’optique d’obtenir des informations sur la microstructure des granulats, notamment la

forme et la taille des pores, des clichés de microscopie électronique ont été pris à l’aide d’un

microscope Zeiss Ultra Plus en mode électrons secondaires à 1,5kV sous un vide de 1,10 –

10,00 mbar. Les échantillons ont été métallisés en amont avec un dépôt de 6mm d’or-palladium

n’ayant pas causé de dommage aux agrégats, l’écrasement visible sur les clichés des Figures 2-

4 à 2-7 étant dû à la découpe des échantillons.

2.5.1.3 Absorption capillaire.

Les granulats de moelle, d’écorce de tournesol et de colza ont été immergés dans l’eau à 3

températures : 10, 20 et 40°C pendant 1h. La masse des échantillons égouttés à l’aide d’un

papier absorbant a été mesurée respectivement après 1, 5, 10, 15, 20, 30, 45 et 60min après quoi

les résultats de l’expression suivante (Equation 2) ont été représentés sur la Figure en fonction

de la racine carrée du temps.

Absorption capillaire.

𝐴(𝑡) =𝑚(𝑡)−𝑚(𝑡0)

𝑚(𝑡) (2)

Avec :

A(t)[%] taux d’absorption en eau ;

m(t) [kg] poids de l’échantillon au temps t ;

m(t0) [kg] poids initial de l’échantillon (séché à l’étuve) ;

2.5.1.4 Conductivité thermique

La conductivité thermique des granulats en vrac a été mesurée en utilisant la technique du fil

chaud avec un conductimètre NEOTIM FP2C. Les mesures ont été réalisées en suivant la norme

ASTM D5930-97 sur des granulats séchés à 50°C après stabilisation de leur masse. Afin

d’obtenir des échantillons symétriques, les granulats ont été enveloppés dans du film plastique

alimentaire et le fil chaud placé entre deux « paquets ». D’autres mesures comparatives ont été

effectuées en plongeant le fil chaud directement dans les granulats en vrac engendrant des

57

résultats similaires, l’impact de la géométrie du film plastique peut donc être considéré comme

négligeable.

2.5.1.5 Porosimétrie à air

La porosité des granulats végétaux a été mesurée à l’aide d’un porosimètre à air (Figure 2-6) au

CEREMA (Centre d’études et d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et

l’aménagement) de Strasbourg. Cette technique de porosimétrie permet d’obtenir des

informations sur la porosité totale des échantillons mais pas sur la distribution des pores. La

porosimétrie au mercure permet d’obtenir des informations sur la distribution des pores, mais

cette dernière méthode est peu fiable quand elle est appliquée à des matériaux fragile et

macroporeux dont la taille des pores dépasse les 100 μm de diamètre (Sing 2004). De plus, des

déformations des structures poreuses dues aux fortes pressions appliquées au mercure ont par

ailleurs été rapportées pour des matériaux légers (Maquet et al. 2003). Tenant compte de ces

contraintes, les méthodes d’analyses non destructives comme la porosimétrie à air sont

favorisées pour ce type de granulats légers. Ce dispositif permet d’évaluer la porosité ouverte

Φ d’un matériau. La mesure est effectuée en déterminant le volume d’air contenu dans une

enceinte, avec et sans l’échantillon, cette enceinte étant conçue pour être adiabatique. Elle est

munie d’un piston permettant de faire varier son volume intérieur. En déplaçant ce piston et en

mesurant l’augmentation de pression qui en résulte, on accède au volume d’air dans la cavité.

On suppose pour cela que la transformation est isotherme, et que l’air suit la loi de Boyle-

Mariotte (Rezaei & Chatzis 2011).

En mesurant successivement le volume d’air de l’enceinte avec et sans échantillon, on

détermine le volume Vs occupé par le squelette du matériau, et on en déduit la porosité

correspondant à l’air non occlus (air dans les pores connectés). Afin de déterminer la porosité

ouverte Φ des granulats, nous avons utilisé la méthode décrite par Philippe Glé (Glé 2014). Le

volume Vs du squelette du matériau poreux est déduit de l’application de la loi de Boyle-

Mariotte. Connaissant la masse m de l’échantillon à mesurer, la masse volumique du squelette

du granulat ρs ainsi que la porosité ouverte Φ peuvent être calculées à partir des Equations 3 et

4, ρv représentant la masse volumique apparente :

ρs =𝑚

𝑉𝑠 (3)

58

Φ = 1 −ρv

ρs (4)

Figure 2-6. Porosimètre à air du CEREMA de Strasbourg

2.5.2 Caractérisation de la terre-crue

L’analyse granulométrique et l’analyse par absorption de rayons x ont été réalisées au

laboratoire de Clamart du Centre Technique des Matériaux Naturels de Construction

(CTMNC).

2.5.2.1 Granulométrie

Après tamisage, une séparation granulométrique a été réalisée en suivant la norme NF ISO-

2591-1 sur un échantillon homogène de 500g. La taille des différents composant de la terre crue

59

a été déterminée par superposition de tamis pour les particules situées entre 40 et 500 μm et par

la méthode d’absorption de rayons x après dispersion durant une période d’au moins 20 heures.

2.5.2.2 Analyse minéralogique par diffraction de rayons x

La taille et la composition des particules ont été déterminées à l’aide d’un diffractomètre

Siemens D5005, la norme NF ISO 13317-3 a été utilisée pour l’analyse qualitative. Le

diffractogramme ainsi obtenu a été analysé à l’aide du logiciel Diffract Plus intégrant la base

de données ASTM.

2.5.2.3 Valeurs au bleu de méthylène et limite de liquidité d’Atterberg

La limite de liquidité d’Atterberg (Barnes 2018) permet de déterminer la teneur en eau à laquelle

la terre-crue argileuse passe de l’état plastique à l’état liquide. La limite de liquidité c’est à dire

l’évaluation de la teneur en eau spécifique de l’échantillon de terre-crue a été réalisée avec un

appareil de Casagrande.

La première étape de l’essai consiste à rechercher la teneur en eau pour laquelle une rainure

pratiquée dans un échantillon de sol placé dans une coupelle se referme sur 1 cm lorsque celle-

ci et son contenu sont soumis à 25 chocs répétés avec l’appareil de Casagrande.

Le but de l’essai au bleu de méthylène est d'évaluer globalement la richesse en argile d'un sol,

le résultat dépend à la fois de la nature des argiles et de leur quantité. Cette mesure utilise les

propriétés d'adsorption que les particules argileuses sont quasiment seules à posséder dans le

sol. Du fait que leurs surfaces sont chargées électriquement, elles adsorbent une quantité de

bleu de méthylène proportionnelle aux surfaces disponibles, lorsqu'elles sont mises en présence

d'une solution de ce colorant.

La nature de la fraction argileuse est exprimée dans cet essai par la surface spécifique ; pour un

sol donné, la surface totale développée dépend de la nature minéralogique. Le principe de l'essai

est d'introduire dans une suspension de sol, des quantités croissantes de bleu de méthylène, par

doses successives, jusqu'à ce que toutes les surfaces d'adsorption étant saturées, apparaît un

début d'excès. À partir de la quantité totale de bleu introduite et du poids du sol sec, on calcule

la valeur qui correspond à 100g de sol qui est appelée la "valeur de bleu" de ce sol.

60

La valeur du bleu notée VBS est très utilisée dans la classification des sols pour les

terrassements.

2.6 Résultats et discussion

2.6.1 Caractérisation des granulats

2.6.1.1 Masse volumique en vrac

La moyenne de 3 mesures pour chaque granulat a été prise pour déterminer la masse volumique

en vrac, les résultats sont indiqués dans le Tableau 2-1, celle-ci est comparée avec d’autres

résultats issus de la littérature.

Granulats

végétaux

Masse volumique

en vrac (kg/m3)

Masse volumique en vrac (kg/m3) issues de la

littérature

RS 64,9 ±0,9 125 (Rahim, Douzane, A. D. Tran Le, et al. 2016); 78

(Lenormand et al. 2014); 130 (Rahim, Douzane, A.D.

Tran Le, et al. 2016)

SB 129,3 ±1,4 134,8 (Magniont et al. 2012); 135(Lenormand et al.

2014); 168(Chabriac et al. 2015)

SP 15,9 ±0,3 20 (Magniont et al. 2012); 34(Chabriac et al. 2015)

Tableau 2-1. Masse volumique des granulats végétaux utilisés (RS, SB, SP)

Les variabilités importantes de la masse volumique des différents granulats végétaux relevées

dans le Tableau 2-1 en comparaison avec les travaux de la littérature peuvent être induites par

différents facteurs : variété, données climatique ou de terroir, condition de

récolte/broyage/stockage (condition et durée) de même qu’il a été relevé que sur une même tige

de tournesol, selon la partie concernée, la moelle aura une masse volumique différente si elle

est prise en bas, en milieu ou en haut de la tige (Pennec et al. 2013). Ces différents paramètres

peuvent notamment influer sur la quantité de moelle présente dans la paille de colza et

engendrer des écarts conséquents entre les masses volumiques relevées entre différents

61

échantillons 64,9kg/m3 pour cette étude, 78 kg/m3 pour les échantillons de Lenormand et al

(Lenormand et al. 2014) et jusqu’à 130 kg/m3 relevé par Rahim et al (Rahim, Douzane, A.D.

Tran Le, et al. 2016).

2.6.1.2 Microstructure des granulats végétaux

Afin d’évaluer la porosité des différents granulats étudiés, des observations au microscope

électronique à balayage ont été effectué à la Plateforme IBiSA de Microscopie Electronique de

l’Université de Tours. Nous pouvons constater sur les clichés de la Figure 2-7 que l’écorce de

tournesol SB contient des pores de dimension de l’ordre de 10µm tandis que les pores contenus

dans la moelle de tournesol SP ou de colza ont des structures alvéolaires pour des dimensions

supérieures à 100µm (Figure 2-10). Nous pouvons ajouter que les pores sont allongés selon la

direction radiale comme constaté par Pennec (Pennec et al. 2013). La partie extérieure de la

paille de colza (Figure 2-9) présente une quantité nettement moindre de pores et de tailles bien

plus réduite (i.e. inférieure à 15 µm).

62

Figure 2-7. Ecorce de tournesol SB, sur la droite, cliché MEB section tangentielle

Figure 2-8. Moelle de tournesol SP, sur la droite, cliché MEB section radiale

Figure 2-9. Paille de colza RS, cliché MEB moelle (en bas à droite) et paille (haut à droite)

63

Figure 2-10. Evaluation de la taille des pores au MEB : RS section longitudinale (gauche) et

SP section radiale (droite)

2.6.1.3 Absorption d’eau

Les résultats de l’absorption en eau des granulats sont présentés sur la Figure 2-11 et permettent

de constater un comportement similaire des granulats SB et RS. La différence de taille de pore

entre ces 2 granulats tend à indiquer que celle-ci joue un rôle dans leur comportement

hydrophile celui-ci augmentant avec la taille et quantité de pores. Ce comportement se trouve

par conséquent exacerbé pour les granulats de SP les plus légers présentant une structure

extrêmement poreuse. Ces valeurs très élevées d’absorption en eau ont été relevées par ailleurs

par Chabannes (Chabannes et al. 2014) et Nozahic (Nozahic et al. 2012). La Figure 2-11 permet

de constater également que cette capacité hydrophile est fortement dépendante de la

température se révélant optimale à 20°C.

Il convient toutefois de pondérer les valeurs obtenues en pourcentage d’absorption massique du

fait des fortes différences de masse volumique de ces matériaux. Ainsi, rapporté aux volumes

de granulat considéré, nous pouvons constater sur la Figure 2-12 que les masses d’eau absorbée

par volume de granulat montrent moins de disparité, le granulat le plus dense (SB) étant celui

qui absorbe la plus grande quantité d’eau pour un même volume. De plus, cette dépendance des

capacités d’absorption diffère d’un granulat à l’autre, en effet, si l’absorption des granulats de

RS est peu dépendante de la température (différence maximale de 16%), les granulats de

tournesol SB (154%) et SP (223%) quant à eux, enregistrent de grandes variations. Les courbes

d’absorption en tant que telles ont des allures similaires quel que soit le granulat et permettent

d’observer une partie linéaire lors de laquelle l’absorption est dans un premier temps très rapide

et importante (lois de diffusion de Fick) due à la capillarité induite par les structures poreuses.

64

Dans un deuxième temps, une phase de plateau engendrée par le remplissage à faible vitesse de

la porosité piégée et mal connectée suite à la dissolution des bulles d’air dans l’eau.

Figure 2-11. Taux d’absorption des granulats végétaux à 10°C (en haut à gauche), 20°C (en

haut à droite) et 40°C (en bas)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60 80

Ab

sorp

tio

n d

'eau

%

Racine carré du temps s1/2

SP

RS

SB

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60

Ab

sorp

tio

n d

'eau

%

Racine carré du temps s1/2

SP

SB

RS

0

500

1000

1500

2000

2500

0 20 40 60

Ab

sorp

tio

n d

'eau

%

Racine carré du temps s1/2

SP

SB

RS

65

Figure 2-12. Quantité d’eau absorbée par les granulats végétaux à 20°C en fonction du

volume de granulats

2.6.1.4 Conductivité thermique

Les résultats des conductivités thermiques sont présentés dans le Tableau 2-2. Comme attendu,

les conductivités thermiques les plus faibles sont relevées pour les granulats les plus légers de

moelle de tournesol. Ces résultats sont en accord avec d’autres mesures réalisées selon la même

technique transitoire de fil chaud (Pennec et al. 2013) tandis que les méthodes de mesures

stationnaires telles que la plaque chaude gardée ou le heat flow meter induisent des

conductivités thermiques supérieures concernant la moelle de tournesol (Magniont et al. 2012),

(Lenormand et al. 2014). Les conductivités thermiques du colza et de l’écorce de tournesol

relevées par Lenormand et al avec un hot flux meter ont été mesurées respectivement à 0,067

et 0,074W.m-1.K-1 avec toutefois des masses volumiques respectives de 78 et 135 kg/m3

supérieures à celles de l’étude présente. Une corrélation entre l’augmentation de la masse

volumique et la conductivité thermique est constatée (Figure 2-13), les granulats les plus

poreux, emprisonnant la plus grande quantité d’air sont les plus légers et les plus performants

thermiquement.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 10 20 30 40 50 60 70

Mas

se d

'eau

par

m3

Racine carré du temps s1/2

SP

SB

RS

66

Granulats

végétaux

Masse volumique

en vrac (kg/m3)

Conductivité

thermique (W.m-1.K-1)

Conductivité thermique

(W.m-1.K-1) issues de la

littérature

RS 64,9 ±0,9 0,043±0,001 0,067 (Lenormand et al.

2014)

SB 129,3 ±1,4 0,053±0,002 0,074 (Lenormand et al.

2014)

SP 15,9 ±0,3 0,036±0,001 0,051 (Magniont 2010)

Tableau 2-2-2. Masse volumique en vrac et conductivité thermique des granulats végétaux

Figure 2-13. Conductivité thermique et masse volumique des granulats

2.6.1.5 Porosité

Les valeurs de la porosité totale des granulats sont présentées dans le Tableau 2-3. Ces résultats

nous permettent de constater que la faible masse volumique de la moelle de tournesol est due à

une porosité très élevée. De même, les granulats RS et SBP de masse volumique équivalente,

présentent une porosité similaire. La composition des squelettes cellulosiques des granulats

SP

RS

SB

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

0,055

0,06

15,9 64,9 129,3

Co

nd

uct

ivit

é th

erm

iqu

e (W

/(m

.K))

Masse volumique en kg/m3

67

végétaux n’impacte par conséquent pas leur masse volumique, à porosité équivalente, leur

masse volumique est équivalente. Dans cet ordre d’idée, le granulat SB ayant la plus grande

masse volumique est également celui qui a la plus faible porosité. On peut constater sur la

Figure 2-14 qu’une relation linéaire reliant la masse volumique et la porosité apparait de façon

évidente avec un coefficient de corrélation de -0,999, bien entendu ce type de relation reliant la

masse volumique des matériaux cellulosiques avec leur porosité demande à être corroboré par

un plus grand nombre de granulats végétaux.

Granulat

Masse volumique

(kg/m3)

Porosité

% Incertitude

SB 129 88,53 0,03

RS 65 94,06 0,06

SBP 65 94,16 0,06

SP 16 98,87 0,9

Tableau 2-3. Porosité totale des granulats végétaux

Figure 2-14. Relation entre la porosité et la masse volumique des granulats

RS

SBP

SB

SP

86

88

90

92

94

96

98

100

0 20 40 60 80 100 120 140

po

rosi

té %

Masse volumique Kg/m3

68

2.6.2 Caractérisation de la terre-crue

2.6.2.1 Granulométrie

Les mesures granulométriques dont la courbe granulométrique est représentée sur la Figure 2-

15 nous permettent de déterminer les fractions granulaires suivantes : 35% d’argile, 40% de silt

et 25% de sable. Cette proportion minoritaire en sable (particules > 0,06mm) rend la terre-crue

plus cohésive permettant son utilisation en tant que liant dans des bétons végétaux. Les

proportions d’argile, silts et sable se situent dans la gamme de proportions relevées pour

d’autres projets alliant liant terre-crue et granulats végétaux (Tableau 2-4).

Figure 2-15. Courbe d’analyse granulométrique de la terre-crue de La Rouchouze

2.6.2.2 Analyse par diffraction de rayons x

Après analyse des pics de diffraction avec la base de données ASTM, les minéraux suivant ont

pu être identifiés kaolinite, montmorillonite et nontronite (Figure 2-16). Cette analyse ne donne

que des résultats qualitatifs, l’intensité des pics donnant des informations sur la cristallinité des

69

minéraux mais non sur leurs proportions. Des analyses complémentaires par spectrométrie

d’émission plasma à couplage inductif (ICP) permettant d’obtenir des informations sur les

proportions des différents types d’argile n’ont pas pu être menées ; toutefois la détermination

des limites d’Atterberg permet de donner des indications sur le type d’argile présente de façon

prépondérante entre une argile active « gonflante » (la montmorillonite) et une peu active (la

kaolinite).

Figure 2-16. Diffractogramme de rayons X de la terre crue de La Rouchouze

2.6.2.3 Valeur au bleu de méthylène et limite de liquidité

La limite de liquidité a été déterminée pour cette argile. Elle se situe à environ 43% c’est-à-dire

un comportement de type kaolinite pour laquelle la limite de liquidité est située entre 30 et 110

et inférieur aux limites des argiles actives telles que la montmorillonite qui sont supérieures à

60 (Summerfield 2001).

70

Afin de confirmer la prépondérance de la présence majoritaire de kaolinite, la valeur au bleu de

méthylène Vb a été calculée et se situe aux alentours de 2,5 indiquant également une présence

très majoritaire de kaolinite par rapport à la montmorillonite (Tableau 2-4).

Argile(%) Silts(%) Sable(%) Graviers(%) Valeur au bleu de méthylène

Limite de liquidité

d’Atterberg (%)

Présent projet 35 40 25 0 2,5 43 Terre-chanvre (clay1)

Matthias Degrave (Degrave-lemeurs et

al. 2018) 37 17 37 9 2,47 Terre-chanvre (Clay2)

Matthias Degrave (Degrave-lemeurs et

al. 2018) 6 44 42 8 2,2 Terre-chanvre Brahim

Mazhoud (Brahim Mazhoud et al. 2017) 14 86 0,2 0 2,33 36

Terre-typha(Samin 2017) 62 25 13 0 50,15

Tableau 2-4. Comparaison des proportions granulaires, limites de liquidité et valeurs au bleu

de méthylène de terres-allégées avec différents granulats végétaux

Le Tableau 2-4 nous permet de constater que l’aspect cohésif des terres liantes pour

l’élaboration de mélange de terre-allégées se caractérise par la recherche d’une terre avec une

forte proportion d’argile sauf pour le projet de Degrave pour lequel les terres à disposition ne

contenaient pas de forte quantité d’argile. De même, les fines argilo-calcaires utilisées par

Mazhoud issues de carrières d’extraction de pierres calcaires ne présentent pas de fortes

proportions d’argile mais une part en limon très élevée participant à l’aspect cohésif pour une

quasi absence de sable. Les valeurs au bleu de méthylène caractérisant à la fois l’activité et la

quantité d’argile sont toutes inférieures à 3 caractérisant des argiles non gonflantes.

71

2.7 Elaboration des biocomposites

2.7.1 Mise en œuvre artisanale

Un des objectifs du projet BIOCOMP, est l’optimisation de la formulation artisanale des éco-

matériaux utilisé depuis quelques années sur le territoire du Pays Touraine Côté Sud par

différents artisans dont Éric Julien. Cet artisan a développé une expérience dans la mise en

œuvre des matériaux biosourcés notamment de bétons végétaux à base de chaux, terre crue et

de différents granulats végétaux : chènevotte et roseau sous forme de banchage. Cette technique

a servi de base pour l’élaboration des formulations et leur optimisation vis-à-vis du liant et des

granulats choisis dans le cadre du projet BIOCOMP. En premier lieu des essais ont été effectués

sur des chantiers existants permettant d’aboutir au protocole de mise en œuvre suivant : après

l’ajout d’une barbotine d’accroche à l’argile sur le mur existant, le mélange terre-granulats

végétaux est tassé entre le mur et une planche de coffrage, le coffrage étant remonté au fur et à

mesure que le remplissage avance et le décoffrage s’effectuant généralement dans les 24h.

Dès la phase de préparation du projet, il est apparu nécessaire pour les partenaires de travailler

sur les possibilités de mécaniser l’application des enduits isolants (soit par compactage soit par

projection) afin de pouvoir diminuer la durée et le coût de mise en œuvre, d’obtenir une

application de l’enduit plus homogène, moins dépendante de la personne qui met en œuvre et

de diminuer la quantité d’eau introduite dans le mortier, ceci avec pour objectif d’optimiser les

temps de séchage et de réduire les possibilité d’apparition de moisissures. Autre atout, la

mécanisation pourrait permettre de diminuer le pourcentage du liant (terre-crue) augmentant

par la même la résistance thermique du mortier isolant.

Les formulations retenues pour cette thèse ont été développées conjointement avec M. Éric

Julien en vue de partir des contraintes rencontrées sur un chantier d’éco-construction. Jusqu’à

présent, les bétons végétaux sont mis en œuvre par banchage intérieur sur un mur existant

(Figure 2-17).

72

Figure 2-17. Mélange terre-colza banché, presbytère de Chédigny (37)

L’objectif de l’élaboration au laboratoire est de minimiser la quantité du liant pour optimiser

les performances thermiques, d’améliorer le protocole de mélange en utilisant, pour s’adapter

aux conditions rencontrées sur les chantiers, des proportions volumiques de granulats, d’eau et

de liant tout en minimisant les difficultés de malaxage. En effet, lorsque l’eau est ajoutée dans

le mélange avec les granulats avant la terre crue, les granulats (a fortiori la moelle de tournesol)

vont avoir tendance à l’absorber ce qui empêchera l’hydratation des plaquettes d’argile

nécessaire pour lui permettre de remplir ses propriétés cohésives. De même, si l’eau est ajoutée

en proportions trop importantes, des problématiques de retrait au séchage apparaitront et dans

le cas contraire (proportions insuffisantes), le mélange ne sera pas homogène dans la bétonnière

(présence d’agglomérats de terre et de granulats).

2.7.2 Saisonnalité, lutte contre les moisissures

Un des freins à l’utilisation des mélanges terre-végétaux par les artisans sur le territoire du Sud

Touraine est lié à sa lente cinétique de séchage et à ses conséquences : les délais de finalisation

des chantiers (réoccupation des espaces et application de l’enduit de finition) ainsi que le risque

élevé d’apparition de moisissures. A l’heure actuelle, la technique de banchage ne peut être

appliquée que pour des chantiers permettant une excellente ventilation et préférentiellement

73

dans une période située entre les mois d’avril et septembre afin de disposer d’une période

suffisante pour le séchage de l’enduit isolant et minimiser le risque de développement fongique.

2.7.3 Optimisation des proportions et masses volumiques au laboratoire

Les proportions massiques liant:granulats utilisées lors de cette étude sont 2,4:1. Elles

correspondent à la proportion volumique optimisée pour le mélange argile:colza de 1:8 dans

l’optique d’obtenir une cohésion suffisante du biocomposite permettant sa mise en œuvre tout

en minimisant la quantité de terre-crue apportée. Ce ratio déterminé au laboratoire après

plusieurs essais permet une reproductibilité relativement aisée sur le chantier, la force de

compactage manuelle nécessaire pour atteindre la masse volumique d’enduits banché

correspondante peut dépendre d’une personne à l’autre. En suivant cette proportion massique

pour les autres composites, nous aboutissons à une proportion volumique argile:écorce de

tournesol de 1:4,7 et 1:26 pour le mélange argile:moelle de tournesol (la singularité du mélange

argile:moelle est traitée ci-dessous). Le protocole de fabrication et le principe de la mise en

œuvre est similaire à la technique du banchage utilisée sur chantier (Figure 2-17). Le

compactage s’effectue dans le sens parallèle à celui du mur, ce paramètre est à prendre en

compte lors des essais thermiques afin de mesurer le flux dans le sens perpendiculaire au mur

et pour les essais de compression dans le sens parallèle au mur. Afin d’obtenir des mélanges

homogènes pour chaque biocomposite en suivant ces proportions, différents volume de

mélange argile:végétaux ont été versés dans un moule de même volume, la contrainte de

compactage variant pour obtenir des mélanges de masses volumiques différentes répertoriées

dans le Tableau 2-5. Il sera donc préférable que cette contrainte de compactage au laboratoire

soit respectée sur le chantier dans un processus de mécanisation pour éviter les changements de

propriétés des matériaux après la mise en œuvre. L’utilisation de granulats très légers tels que

la moelle de tournesol entraine la nécessité d’utiliser un volume de mortier plus important pour

atteindre une masse similaire induisant des contraintes de compactages élevées pour atteindre

certaines masses volumiques. D’un autre côté, l’utilisation des granulats les plus denses tels

que l’écorce de tournesol ne permet pas d’atteindre une homogénéité suffisante pour élaborer

les échantillons de faible masse volumique du fait du volume insuffisant de mortier. A cause de

ces contraintes, certaines masses volumiques peuvent être atteintes avec certains mélanges mais

pas avec d’autres.

74

Les proportions massiques eau:liant sont de 1:1, elles correspondent à la proportion permettant

de réaliser un mélange argile:colza 1:2,4. Le choix a été effectué de maintenir cette proportion

pour les différents mélanges entrainant des différences d’homogénéité comme cela a également

pu être constaté lors d’approches similaires dans d’autres études (Palumbo Fernández 2016),

(Chabannes et al. 2015). Cette différence étant engendrée non seulement par la variation des

proportions volumiques liant:granulats mais également par la capacité variable d’un granulat à

l’autre d’absorber l’eau liquide. Cette proportion a par conséquent due être réduite à 1:0,7 pour

les mélanges à base d’écorce de tournesol fortement compactés : de SBD8 à SBD10. En effet,

l’eau en excès a tendance à s’écouler du moule lorsque les proportions de 1:1 sont respectées

pour ces masses volumiques.

La notion de biocomposite (matrice:fibre ou matrice:granulat) peut être questionnée ici car les

proportions de terre crue utilisée possédant une forte proportion d’argile sont minimisées afin

d’optimiser les performances thermiques. La terre crue aurait davantage vocation à être

considérée comme un enrobage des granulats plutôt qu’une matrice. Ceci est a fortiori le cas

pour les mélanges argile:moelle possédant des proportions volumiques de 1:26. Lorsque les

mélanges SP sont faiblement compactés − comme c’est le cas pour les composites de

proportion SPD2 − la cohésion des granulats ne peut se faire uniquement par la quantité d’argile

présente en faible quantité. Un second mécanisme de cohésion entre ici en compte et permet

l’élaboration de composite de très faible masse volumique. Les sucres tels que la pectine ainsi

que la lignine présents en forte quantité dans la moelle de tournesol sont relâchés en présence

d’eau et font office d’adhésifs (Yan et al. 2016) avec une compression à froid. Cette propriété

a également été constatée et appliquée pour l’élaboration de panneaux de particules à base de

moelle de tournesol sans liant élaborés par thermocompression après avoir été humidifiés

(Vandenbossche et al. 2012),(Lenormand et al. 2014), (Lenormand et al. 2017) ou lors de

l’élaboration de composites à base de paille et de chènevotte sans ajouts de liant (Collet et al.

2016).

2.7.4 Protocole de fabrication des échantillons au laboratoire

Dans un premier temps, l’eau et l’argile sont mélangées en totalité. En effet, du fait de la forte

hygroscopicité de granulat végétaux (notamment la moelle de tournesol, ceux-ci auraient

tendance à absorber une grande quantité d’eau empêchant une bonne hydratation de l’argile

tout en renforçant les risques de fissuration dus au phénomène de retrait. Les granulats végétaux

75

préalablement séchés à l’étuve à 40°C ne sont versés que 10 minutes plus tard afin de laisser le

temps à l’argile de s’hydrater. La quantité de mortier désirée est pesée et versé dans le moule

cylindrique ou parallélépipédique en plusieurs fois selon le volume de mortier. Lors de

l’élaboration des éprouvettes cylindriques utilisées pour les essais de compression, une réhausse

est de même nécessaire, un premier compactage est réalisé jusqu’à la hauteur de l’éprouvette,

puis une deuxième quantité de mortier est introduite dans la réhausse et le mortier est de

nouveau compacté pour arriver à la hauteur de l’éprouvette à l’aide de la presse Zwick/Roell

Z010 (Figure 2-18 et 2-19). Ainsi, 2 compactages sont nécessaires pour aboutir aux éprouvettes

cylindriques de diamètre 110mm et de hauteur 220mm pour les échantillons SPD2, RSD5 et

SBPD5 et 3 remplissages et compactages sont nécessaires pour obtenir les éprouvettes SBD8.

Les contraintes de compactage engendrées par la presse pour aboutir aux masses volumiques

(SBD8, RSD5, SBPD5 et SPD2) pour les moules cylindriques sont respectivement de (0,392,

0,044, 0021 et 0,009 MPa). Les échantillons pour les essais de sorption-désorption, porosité et

acoustiques ont été compressés manuellement en respectant les mêmes masses volumiques.

Masse volumique (kg/m3) Biocomposites

D1 300kg/m3 SPD1

D2 450kg/m3 SPD2

D3 600kg/m3 SPD3

D4 730kg/m3 SPD4, SBPD4, SBD4, RSD4

D5 760kg/m3 SPD5, SBPD5, SBD5, RSD5

D6 790kg/m3 SPD6, SBPD6, SBD6, RSD6

D7 830kg/m3 SBPD7, SBD7, RSD7

D8 860kg/m3 SBPD8, SBD8, RSD8

D9 890kg/m3 SBD9

D10 930kg/m3 SBD10

Tableau 2-5. Nomenclature des masses volumiques des mortiers à l’état frais

76

Figure 2-18. Préparation des échantillons avec la presse Zwick/Roell Z010 press. A gauche:

cylindrique, droite : paralllélépipédique (mesures thermiques)

Figure 2-19. A gauche, compactage des échantillons cylindriques, à droite: de gauche à droite

échantillons SBD8 et RSD5

77

La mise en place manuelle des bétons végétaux ne permet pas en termes de rendement (temps

de travail, coût) de répondre au besoin massif de rénovation énergétique tel qu’appelé dans la

loi sur la transition énergétique. Conscient de la réflexion à apporter pour améliorer la

productivité, les responsables de ce projet au niveau de la collectivité du Sud Touraine souhaite

que la mise en œuvre soit mécanisée. La mécanisation envisagée nécessite l’utilisation d’une

projeteuse associée à une bétonnière ou bien à un ensemble cardeuse/malaxeur. En effet,

différents outils de projection ont été développés pour les bétons de chanvre avec des principes

différents (mélange en amont ou en sortie de buse), aboutissant à des résultats différents en

termes de quantité d’eau/liant ou d’homogénéité de l’enduit. Les partenaires du projet n’ont pas

encore arrêté leur choix sur une machine spécifique ce choix impactera la formulation du

biocomposite, on peut en attendre une diminution de la quantité de liant ainsi qu’une orientation

différentes des granulats (la modification des propriétés mécaniques dues au sens de

compactage étant investiguée dans le chapitre III). Des prélèvements d’échantillons après la

mise en œuvre seront réalisés afin d’étudier l’effet du procédé de mécanisation sur les propriétés

mécaniques, thermiques et hydriques au laboratoire de mécanique LaMé.

2.8 Conclusion

Les matériaux isolants pour la construction issus de la mise en place d’une filière de production

d’éco-matériaux à l’échelle d’un territoire subissent une forte hétérogénéité engendrée par le

type de granulats utilisé ainsi que par le processus de leur récolte-transformation et également

par le type de liant rencontré sur chaque territoire ou encore leur mise en œuvre. La différence

de masse volumique d’un granulat végétal broyé liée à la présence de pores de grande dimension

à un autre peut varier d’un facteur 8 provocant de fortes disparités en termes de conductivité

thermique ou d’absorption capillaire et, nécessite l’ajustement des formulations et mises en

œuvre. Nous allons étudier dans les chapitres suivants l’influence de ces écarts sur les

performances des biocomposites aux niveaux thermiques hydriques, mécaniques et

acoustiques.

78

79

3 Caractérisation thermique, hydrique et mécanique des

biocomposites

3.1 Introduction

Ce chapitre aborde les propriétés thermiques, hydriques et mécaniques des différents

biocomposites élaborés à partir des composants (granulats et liant) et selon le protocole présenté

dans le chapitre précédent.

En effet, les attentes et les axes de recherches faisant fréquemment l’objet de publications

concernant les matériaux d’isolations biosourcés tournent majoritairement autour de leurs

propriétés thermiques, viennent ensuite des critères de résistance à la compression paramètres

nécessaires pour évaluer le caractère autoporteur voire structurel de ces matériaux selon les

conditions de leur utilisation (Figure 3-1).

D’un point de vue des performances thermiques, selon la norme NF P75-101, un produit destiné

au bâtiment peut être considéré comme un isolant thermique si sa conductivité thermique est au

plus égale à 0,065 W.m-1.K-1 à 10°C et si sa résistance thermique est au moins égale à 0,5

m2.K/W. Un enduit léger de conductivité supérieure à cette valeur sera qualifié de correcteur

thermique. La masse volumique des matériaux biosourcés, critère abondamment étudié dans la

littérature scientifique (Figure 3-1), est reliée à la fois aux performances thermiques et

mécaniques. Il s’agit d’un paramètre pertinent pour comparer un béton végétal élaboré avec des

matières premières similaires ainsi que les matériaux caractérisés dans d’autres laboratoires de

recherche, c’est ce que nous avons voulu montrer ici.

80

Figure 3-1. Critères d’étude des matériaux d’isolation biosourcés (Liu et al. 2017)

La plupart des matériaux isolants destinés pour une utilisation dans l’habitat n’ont pas pour

vocation de soutenir la structure des édifices, selon les usages (dalles, murs, combles,

panneaux), les contraintes mécaniques exigées vont différer. Dans le cas d’enduits isolants, le

matériau devra au minimum supporter son poids propre, la norme allemande DIN 4108-10

concernant les matériaux d’isolation thermiques manufacturés fixant la contrainte à atteindre

en compression simple à 0,02MPa.

La quantité d’eau présente à l’instant t dans un matériau d’isolation impacte sensiblement ses

performances thermiques, les concepteurs peuvent chercher à profiter de cette caractéristique

et favoriser l’absorption de vapeur d’eau avec pour objectif de lisser les pics d’humidité à

l’intérieur des pièces d’un habitat pour en augmenter le confort et profiter des effets

thermodynamique liés à la condensation et l’évaporation de vapeur d’eau dans les matériaux

engendrant des phénomènes passifs de climatisation. La connaissance des propriétés hydriques

de ces matériaux est par conséquent nécessaire pour l’interprétation de ses performances.

La connaissance des phénomènes de capillarité propres aux matériaux d’isolation à base de

végétaux est également cruciale car outre les performances thermiques fortement dégradées

d’un matériau poreux imbibé d’eau, lorsque le liant utilisé est à base de terre-crue, la

dégradation des propriétés mécaniques est un risque élevé menaçant l’intégrité du matériau et

81

enfin, le risque d’un développement de moisissures comme cela a été constaté sur des bétons

de chanvres exposés aux intempéries (Jay et al. 2017) avec des conséquences néfastes pour

l’aspect sanitaire de la qualité de l’air intérieur.

Optimiser les matériaux à base de terre-crue pour améliorer leurs performances mécaniques et

diminuer leur sensibilité à l’immersion est devenu un axe de recherche pour l’amélioration des

techniques de construction à base de terre crue. L’emploi d’additifs est une piste d’optimisation

des mélanges terre-végétaux qui a été investiguée également ici de manière exploratoire et qui

demanderait une étude plus approfondie dans un avenir immédiat ; de même l’empreinte

environnementale engendrée par la stabilisation est questionnée.

3.2 Caractérisation thermique

3.2.1 Protocole de caractérisation thermique

Différents échantillons prismatique de section 8,5x15,0cm et de hauteur 8,5cm ont été préparés

avec la presse Zwick/Roell Z010, les masses volumiques des échantillons à sec indiquées dans

le Tableau 2-5 ont été obtenues en faisant varier la quantité de mortier ayant été compactée dans

les moules parallélépipédiques. Les essais de conductivité thermique ont été réalisés sur des

échantillons dans un premier temps placés à l’étuve à 50°C jusqu’à stabilisation de leur masse.

La méthode du fil chaud a été utilisée en appliquant la norme ASTM D5930-97. La sonde du

conductimètre NEOTIM FP2C a été placée entre deux échantillons de même géométrie de

manière symétrique (Figure 3-2). L’hypothèse principale de cette méthode est de considérer le

volume étudié comme étant cylindrique avec un transfert de chaleur radial unidimensionnel et

une longueur de fil infinie.

82

Figure 3-2. A gauche, conductimètre NEOTIM FP2C, à droite, sonde fil chaud placée entre

deux échantillons de RSD5

La conductivité thermique est déterminée en considérant l’évolution de la température en

fonction du logarithme du temps. La conductivité thermique est alors déduite de l’augmentation

de la température en fonction du temps. La valeur moyenne de la conductivité thermique a été

déterminée à partir de 7 mesures pour chaque matériau.

3.2.2 Influence de la masse volumique.

La porosité totale des bétons de chanvre pour une formulation de type mur se situe entre 70 et

80% (Glé 2014), celle des biocomposites de cette étude mesurée au porosimètre à air, varie

entre 64 et 90% (Tableau 3-1).

Biocomposites Porosité % Incertitude

SBD8 64,27 0,02

RSD5 77,11 0,04

SBDPD5 73,96 0,04

SPD2 90,23 0,15

Tableau 3-1 . Porosité totale des biocomposites

Comme attendu, la conductivité thermique des différents biocomposites est dépendante de leur

masse volumique (Figure 3-3). Pour des masses volumiques variant de 235 à 714 kg/m3, la

conductivité thermique augmente de 0,040 à 0,162 W.m-1.K-1. L’évolution des comportements

des différents composites en fonction de l’augmentation de leur masse volumique révèle

83

quelques différences comme on peut le constater sur la Figure 3-3. Il convient de noter que les

masses volumiques apparentes indiquées dans la Figure 3-3 ont été obtenues par pesées des

échantillons secs et mesures géométriques, des phénomènes de retrait et gonflement différents

selon les matériaux vont intervenir expliquant pourquoi, par conséquent, les matériaux élaborés

à masse volumique équivalente représentées dans le Tableau 2-5 vont développer des masses

volumiques différentes à sec selon les matériaux. Les mélanges avec du colza ou de la moelle

de tournesol sont moins affectés par l’augmentation du compactage. Ces granulats vont avoir

tendance à induire un gonflement une fois le démoulage effectué, la masse volumique va donc

être moindre qu’un échantillon moins sujet au gonflement comme ceux contenant l’écorce. De

même, les composites composés d’écorce possèdent une plus grande proportion volumique de

liant (argile), lorsque la force de compactage va augmenter, les porosités inter-granulaires vont

être réduites avant les porosités intra-granulaires entrainant par la même l’apparition de ponts

thermiques et l’augmentation plus rapide de la conductivité thermique.

Figure 3-3. Conductivité thermique des biocomposites en fonction de leur masse volumique

Afin de comparer le comportement thermique des biocomposites de cette étude en fonction de

leur masse volumique avec d’autres bétons végétaux et d’autres liants et granulats, les résultats

y = 8E-05x + 0,0467

y = 0,0003x - 0,008

y = 0,0001x + 0,0457

y = 0,0002x + 0,0215

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

200 250 300 350 400 450 500 550 600

Co

nd

uct

vite

th

erm

iqu

e(W

.m-1

.K-1

)

Masse volumique Kg/m-3

Argile/Colza

Argile/Ecorce de tournesol

Argile/Moelle et écorce de tournesol

Argile/moelle de tournesol

84

de différentes études sont exposés dans le Tableau 3-2 pour des masses volumiques comprises

entre 200 et 800 kg/m3.

Ces résultats sont également présentés sur la Figure 3-4 avec la relation empirique (Equation 5)

établie par Cérézo (Cerezo 2005) et mentionnée dans différents travaux de recherche afin de

comparer la conductivité thermique en fonction de la masse volumique de différents bétons

végétaux (Ratiarisoa et al. 2016), (Walker & Pavía 2014), (Collet & Pretot 2014), (Laborel-

Préneron et al. 2016), (Labat et al. 2016). Cette relation établie initialement pour les bétons de

chaux-chanvre tend à être corrélée pour d’autres liants et d’autres granulats végétaux. Toutefois,

le comportement des différents composites de cette étude de masse volumique et de granulats

différents ne peut pas être représenté par une relation linéaire, une relation polynomiale λ =

5.10-7*ρ 2 – 0,0002*ρ + 0,0855 donne une meilleure tendance. Les échantillons ayant la masse

volumique la plus élevée (SBD8) et la moins élevée (SPD2) sont davantage en corrélation avec

la relation de Cérézo que les échantillons avec des masses volumiques intermédiaires entre 350

et 550 kg/m3.

La diminution de la masse volumique des échantillons présentés dans cette étude est due à un

volume de porosité plus important. L’augmentation du volume de pore est due à l’utilisation de

granulats possédant une plus grande porosité parallèlement à l’augmentation de leurs

proportions volumiques induisant une conductivité thermique plus faible.

λ= 0,0002*ρ + 0,0194 (5)

Granulats Liant

Masse

volumique

kg/m3

Conductivité

thermique

W/(m.K) Références

SP (SPD2) Argile 235 0,055 Etude actuelle

RS (RSD5) Argile 438 0,0712 Etude actuelle

SBP (SBPD5) Argile 512 0,0878 Etude actuelle

SB (SBD8) Argile 714 0,1578 Etude actuelle

bois Argile-ciment 490 0,100

Al Rim et al (Al Rim

et al. 1999)

bois Argile-ciment 700 0,14

Al Rim et al (Al Rim

et al. 1999)

bois Argile-ciment 681 0,18

Bouguerra et al

(Bouguerra et al.

1998)

85

bois Argile-ciment 621 0,170

Bouguerra et al

(Bouguerra et al.

1998)

chènevotte

Liant

Pouzzolanique 573 0,137

The Manh (Dinh The

2014)

chènevotte Chaux 627 0,138

Walker et al (Walker

& Pavía 2014)

Moelle de

tournesol

Liant

Pouzzolanique 670 0,132

Magniont et al

(Magniont et al. 2012)

Moelle de

tournesol

Liant

Pouzzolanique 777 0,176

Magniont et al

(Magniont et al. 2012)

Lavande non

traitée

Liant

Pouzzolanique 577 0,142

Ratiarisoa et al

(Ratiarisoa et al.

2016)

Lavande traitée

Liant

Pouzzolanique 661 0,162

Ratiarisoa et al

(Ratiarisoa et al.

2016)

Terre-paille Argile 241 0,071

Labat et al (Labat et

al. 2016)

Terre-paille Argile 381 0,088

Labat et al (Labat et

al. 2016)

Terre-paille Argile 403 0,099

Labat et al (Labat et

al. 2016)

Terre-paille Argile 449 0,104

Labat et al (Labat et

al. 2016)

Terre-paille Argile 531 0,120

Labat et al (Labat et

al. 2016)

Tableau 3-2. Comparaison de la conductivité thermique en fonction de la masse volumique

de différents bétons végétaux issus de la littérature

86

Figure 3-4. Conductivité thermique en fonction de la masse volumique de mélanges terre-

végétaux et autres bétons végétaux

3.2.3 Influence de la teneur en eau et de l’humidité relative

Dans l’objectif de caractériser la conductivité thermique à différents taux d’humidité, les

échantillons de RSD5, SPD5, SBPD5 et SBD8 ont été exposés à 3 humidités relatives

différentes (66%, 86% et 98%) dans des dessiccateurs avec différentes solutions salines. En

plus de ces 3 humidités, les échantillons ont été placés d’une part dans une étuve à 50°C jusqu’à

stabilisation de leur masse pour obtenir la conductivité à sec et d’autre part imbibés d’eau

jusqu’à saturation. Les échantillons placés dans les atmosphères à différentes humidités ont été

pesés jusqu’à stabilisation de leur masse, processus qui a pris plusieurs semaines. Après

stabilisation, la conductivité thermique des différents échantillons a été mesurée puis placée sur

la Figure 3-5 en fonction de l’humidité relative et de la teneur en eau. Les mélanges à base de

colza (RSD5) présentent la plus forte augmentation de leur conductivité thermique entre l’état

sec et 98% d’humidité relative (+48,5%) tandis que des augmentations de 34,5%, 32% et 17,5%

de la conductivité thermique du SBD8 sont mesurées sur le même intervalle pour les

échantillons respectifs SBD8, SBPD5 et SPD2. Cette augmentation est corrélée avec

l’augmentation de la quantité d’eau présente dans les échantillons. Comme cela a été expliqué

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

200 300 400 500 600 700 800

Co

nd

uct

vite

th

erm

iqu

e(W

.m-1

.K-1

)

Masse volumique Kg/m-3

Terre:paille - (Labat et al. 2016)

Lavande:Liant pouzzolanique - (Ratiarisoa et al. 2016)

BIOCOMP

Moelle de tournesol:liant pouzzolanique - (Magniont et al. 2012)

Béton de chanvre - (Walker et al. 2014), (The Manh 2014)

Argile-ciment:bois - (Bouguerra et al. 1998), (Al Rim et al. 1999)

87

par El Fgaier et al. (El Fgaier et al. 2016), l’augmentation de la quantité d’eau qui vient remplir

progressivement les pores en chassant l’air présent induit une augmentation de la conductivité

thermique du matériau, la conductivité thermique de l’eau étant plus importante que celle de

l’air. De plus, à partir d’une certaine humidité relative, la vapeur d’eau se condensant dans les

pores provoque l’apparition de ménisque générant des ponts thermiques (El Fgaier et al. 2016).

Figure 3-5. Influence de l’humidité relative (à gauche) et de la quantité d’eau (à droite)

présentes dans les échantillons sur leur conductivité thermique

3.3 Caractérisation mécanique

3.3.1 Protocole de caractérisation mécanique

Les essais de compression uniaxiale ont été réalisés sur des éprouvettes de 11cm de diamètre et

22cm de hauteur. Trois éprouvettes ont été réalisées pour chaque mélange les tests de

compression ont été menés à une vitesse de 500μm/min (i.e. 휀~5.6𝑠−1, les essais sont donc

considérés comme quasi-statiques) avec une presse Instron 8872 possédant une cellule de

charge 25 KN. Les essais ont été réalisés après 28j et la stabilisation de la masse des éprouvettes

(différence inférieure de 0,10% entre 2 pesées).

3.3.2 Module de Young et contrainte maximale de compression

Le module d’Young des différents composite est présenté sur la Figure 3-6 en fonction de leur

masse volumique. Il a été obtenu à partir des pentes des courbes de contrainte/déformation entre

0,07

0,09

0,11

0,13

0,15

0,17

0,19

0,21

60 70 80 90 100

Co

nd

uct

ivit

é th

erm

iqu

e (W

.m-1

.K-1

)

Quantité d'eau (RH%)

SBPD5

RSD5

SBD8

SPD5

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 5 10

Co

nd

uct

ivit

é th

erm

iqu

e(W

.m-1

.K-1

)

Quantité d'eau kg.kg-1

SBPD5

RSD5

SBD8

SPD5

88

7.10-3 and 2.10-2 MPa (Figure 3-7). Les profils des différentes courbes de cette dernière figure

indiquent une réponse non-linéaire prononcée des mélanges terre-végétaux.

Contrairement aux bétons de chaux-chanvre (Niyigena 2016), (Cerezo 2005), aucune relation

n’a pu être définie entre la masse volumique et le module d’élasticité. Les modules de Young

obtenus sont nettement moins élevés que ceux observés pour des bétons de chaux-chanvre

(Niyigena et al. 2016). Ces valeurs se rapprochent de celles obtenues sur des éprouvettes de

terre-chanvre non stabilisées situées entre 2,6 et 3,3 MPa (Brahim Mazhoud et al. 2017) lorsque

le module est calculé à partir de la pente à l’origine. Cette différence de propriété peut être

expliquée par la faible proportion volumique de liant par rapport au granulat. En effet, comme

relevé par Tai Thu Nguyen (Nguyen 2010), lorsque les rapports liant/granulats sont faibles, un

squelette rigide de liant ne peut pas prendre forme autour des granulats. Dans notre cas, le liant

a un rôle cohésif mais n’est pas présent en quantité suffisante pour augmenter la résistance les

mélanges, ceci est d’autant plus prégnant pour les composites à base de granulats légers présents

en proportion volumique plus importante et pour lesquels les modules d’élasticité et contrainte

de compression maximale sont les plus faibles.

Figure 3-6. Module d’élasticité et contrainte maximale de compression en fonction de la

masse volumique des mélanges terre-végétaux respectivement à gauche et à droite

Le composite RSD5 a un comportement en compression différent des autres mélanges. En effet,

l’augmentation continue de la contrainte de compression n’induit pas de rupture fragile mais

une déformation fragile continue (voir courbe Figure 3-7) et avec un comportement compactant

visible sur l’état de l’échantillon (cf. Figure 3-8). Ce comportement est généralement constaté

pour les bétons de terre/chanvre, chaux/chanvre ou plâtre/paille pour des mélanges très poreux

SPD2RSD5

SBPD5SBD8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

235 438 512 714

Mo

du

le d

'Yo

un

g (M

Pa)

Masse volumique (kg/m3)

SPD2

SBPD5

SBD8

0

0,5

1

1,5

2

2,5

235 512 714

Co

ntr

ain

te m

axim

ale

de

com

pre

ssio

n (

MP

a)

Masse volumique (kg/m3)

89

avec de faibles ratios de liant :granulats (Brahim Mazhoud et al. 2017), (Nguyen 2010),

(Arnaud & Gourlay 2012), (Belayachi et al. 2016). En comparant les résultats avec ceux

obtenus pour des mélanges terre/chanvre non stabilisés (Brahim Mazhoud et al. 2017)

(Vinceslas et al. 2017) ou de bétons de chaux-chanvre (Collet 2015), (Niyigena et al. 2016),

nous pouvons constater que la contrainte de compression maximale de SBPD5 autour de

0,4MPa se situe dans des valeurs similaires à celles-ci tandis que pour l’échantillon SPD2 plus

léger, la rupture intervient pour une contrainte plus faible de 0,16MPa. Concernant les modules

d’élasticité, les valeurs des composites de cette étude situées entre 3 et 6MPa sont bien

inférieures aux valeurs relevées pour les bétons de chanvre (Niyigena et al. 2016) de l’ordre 30

à 40MPa sans précontraintes.

Les composites SBD8 dont la masse volumique est plus importante atteignent une valeur de

compression maximale de 2,1MPa nettement supérieure aux autres composites. Le volume de

liant est plus important pour ce mélange permettant la mise en place d’un squelette plus rigide

autour des granulats. De plus, la contrainte de compactage lors de l’élaboration de SBD8 est de

0,392MPa soit nettement supérieure à celle des autres composites (0,009, 0,021 et 0,044 pour

respectivement SPD2, SBPD5 et RSD5) ce qui corrobore les travaux menés par Tai Thu

Nguyen sur les bétons de chanvre précontraints qui possèdent une valeur maximale de

compression supérieure (Nguyen 2010). En effet, pour un ratio massique chaux:chènevotte de

2,15 (la masse volumique de la chènevotte de 102kg/m3 se rapprochant de celle de l’écorce de

tournesol) et un rapport eau:liant de 0,93, lorsque la contrainte de compactage passe de 0,4 à

1,4 MPa, la résistance en compression progresse de 0,4 à 1,4Mpa à 28 jours. Toutefois,

contrairement à ce qui été constaté dans cette thèse (Nguyen 2010) avec un liant à la chaux,

dans notre cas cette augmentation de contrainte n’a pas engendré d’augmentation du module

d’élasticité. L’augmentation de la masse volumique des composites est reliée à leur résistance

à la compression mais pas à leur rigidité (Figure 3-7).

90

Figure 3-7. Courbes contraintes/déformations des biocomposites SPD2, RSD5, SBPD5 et

SBD8

La rupture des biocomposites lorsqu’elle a lieu (pour les mélanges ne contenant pas de colza)

se développe à l’extrémité de l’échantillon qui était située en haut de l’éprouvette lors de son

compactage comme cela a également été constaté par Kashtanjeva et al. (Kashtanjeva et al.

2015) pour des bétons de chanvre. Il s’agit de l’endroit où la masse volumique est moins

importante et où apparaitront les premières fissures. L’effet tonneau dans ce cas semble

minimisé par rapport aux fragilités induites par la différence de masse volumique le long de

l’éprouvette et de la faible proportion de liant.

Les échantillons RSD5 à base de paille de colza quant à eux vont fortement se comprimer de

façon irréversible sans pour autant atteindre de rupture comme cela a pu être observé par

Belayachi et al concernant des bétons de paille (Belayachi et al. 2013).

91

Figure 3-8. Echantillon SBPD5 après rupture (à gauche) et RSD5 sans rupture mais à forte

déformation (à droite)

3.3.3 Influence du sens de compactage sur les caractéristiques mécaniques des

bio-composites :

La procédure d’élaboration des échantillons par compactage dans un moule reproduit la mise

en œuvre par banchage parallèle au mur tel qu’elle est employée sur les chantiers de rénovation.

Ce sens de compactage induit une orientation préférentielle des fibres, a fortiori pour les fibres

longues comme la paille de colza. L’objet de l’expérimentation suivante est d’évaluer la

différence de comportement mécanique du biocomposite le plus anisotrope à savoir RSD5 en

fonction de son sens de compactage donc de l’orientation de la paille. Les éprouvettes RSD5-

H issues du moule horizontal (Figure 3-9) sont placées verticalement lors des essais de

compression. Ceci permet d’évaluer les caractéristiques mécaniques de compression

concernant un sens de compactage perpendiculaire au mur ce qui pourrait être le cas pour la

mise en place d’un enduit projeté ou bien la préfabrication de caissons remplis horizontalement.

Le moule vertical permet d’obtenir des éprouvettes RSD5-V préfigurant le sens pour lequel les

essais mécaniques précédents ont été réalisés correspondant aux contraintes subies par un

matériau lors d’un banchage classique.

92

Figure 3-9. Moule pour compactage horizontal (RSD5-H) à gauche et vertical (RSD5-V) à

droite

Nous avons soumis les échantillons rectangulaires (RSD5-H et RSD5-V) de dimensions (7,5x

7,5 x 15cm) à un essai de compression simple, les courbes de contrainte en fonction de la

déformation sont présentées dans la Figure 3-10.

Figure 3-10. Courbe de la contrainte en fonction de la déformation pour les deux sens de

compactage : verticale et horizontal

93

Biocomposite E(MPa) σmax (MPa)

RSD5-V 2,5 5,43

RSD5-H 12,77 0,15

Tableau 3-3. Caractéristiques mécaniques des échantillons compactés verticalement et

horizontalement

Le module d’Young des éprouvettes horizontales présentant une orientation des fibres de colza

dans la direction de compression est 5 fois plus élevé que lorsque les fibres se trouvent orientées

perpendiculairement à la direction de compression (Tableau 3-3). La rigidité de la paille de

colza qui reprend l’essentiel des contraintes de compression étant plus importante dans le sens

vertical qu’horizontal.

Les échantillons RSD5 cylindriques testés précédemment ne présentaient pas de rupture, les

pailles de colza étaient orientées perpendiculairement à la direction de compression, ce qui

correspond aux éprouvettes RSD5-V parallélépipédiques testées ici présentant un

comportement similaire. Lorsque les granulats de colza sont orientés dans la même direction

que la direction de compression (composite RSD5-H), nous observons cette fois-ci une rupture

se propageant sur toute la hauteur de l’éprouvette (Figure 3-12). Le profil des courbes RSD5-

H et RSD5-V diffère fortement, lorsque les fibres sont orientées verticalement (Figure 3-12), le

matériau ne présente pas de caractère ductile contrairement à son comportement lorsque les

fibres sont orientées horizontalement. Cette différence de comportement peut se révéler

importante à prendre en compte lorsque le bâtiment est utilisé en zone à risque sismique élevé.

En effet, dans le cas d’une ossature noyée dans un béton végétal, le remplissage terre-végétaux

pourra reprendre plus aisément une variation d’efforts lorsque ses fibres sont orientées

perpendiculairement à la direction de sollicitation.

94

Figure 3-11. Essai de compression sur échantillon RSD5-H à gauche et RSD5-V à droite

3.4 Caractérisation hydrique : courbes de sorption/désorption

3.4.1 Courbes de sorption/désorption

Les isothermes de sorption/désorption ont été obtenues à partir de la méthode gravimétrique en

utilisant des solutions salines. Afin de contrôler l’humidité relative à différentes atmosphères,

des échantillons de chaque composite (SPD5, RSD5, SBPD5 et SBD8) ont été placés dans des

dessiccateurs contenant différentes solutions salines permettant d’obtenir des taux d’humidité

différents. Les échantillons ont été placés dans les atmosphères suivantes : 12, 33, 44, 55, 66,

76, 86, 93 et 98 %. Avant d’être placés dans les dessiccateurs correspondants, les échantillons

ont été séchés à l’étuve à 60°C pendant 24h. De façon complémentaire, l’autre moitié des

échantillons a été saturée en eau par immersion totale et placée dans des dessiccateurs aux

mêmes ambiances hydriques. Chacun des échantillons est pesé deux fois par jour jusqu’à

stabilisation de leur masse. Cette stabilisation pouvant intervenir après plus de 2 mois pour que

la masse des échantillons se stabilise aux plus hautes humidités relatives. Toutefois, cette

95

stabilisation intervient plus rapidement que pour les bétons chaux-chanvre et chaux-colza

(Rahim et al. 2015), plus spécifiquement pour les hautes valeurs d’humidité relative.

Les courbes de sorption/désorption ont été tracées pour les composites RSD5, SBPD5, SPD5

et SBD8 sur la Figure 3-13, celles-ci peuvent être classées de type II selon la classification de

l’IUPAC (Sing 1982), ce profil d’isothermes de sorption/désorption est caractéristique des

matériaux ligno-cellulosiques (Palumbo Fernández 2016). Le degré de saturation a été obtenu

en appliquant le rapport de la masse de l’échantillon à l’équilibre moins la masse de

l’échantillon sec sur la masse obtenue à saturation moins la masse de l’échantillon sec. Les

comportements des différents échantillons en termes de profils de courbes de sorption et

désorption sont similaires entre 30 et 76%HR. Au-delà de 80% d’humidité relative, les

différences en terme de taille de pores, réseaux poreux et porosité vont avoir une influence sur

l’apparition ou non d’effets bouteille d’encre engendrant des aires d’hystérésis plus importantes

(El Fgaier et al. 2016). Les forces capillaires vont ainsi différer d’un matériau à l’autre. Nous

pouvons ainsi constater que l’aire d’hystérésis entre la sorption et la désorption est plus

importante concernant le matériau SBD8 possédant des pores de plus faible dimension que ceux

des autres matériaux.

Sari Airaksinen (Airaksinen 2005) associe les hystérésis entre les isothermes de sorption et de

désorption aux condensations capillaires qui ont lieu dans les structures poreuses: l’évaporation

capillaire se produit pour de plus faibles pressions relatives que la condensation capillaire (El

Fgaier et al. 2016). L’eau est condensée dans les pores sous forme liquide et se retrouve ainsi

piégée des indices d’activité de l’eau inférieurs auxquels elle devrait être libérée. Les courbes

d’hystérésis observées aux hautes humidités relatives lorsqu’observées dans les bétons

fortement poreux sont généralement expliquées par une combinaison de phénomènes, les

hystérésis liées aux condensations capillaires, celles liées aux angles de contact et enfin aux

phénomènes dits de bouteille d’encre (Daian 1986), (El Fgaier et al. 2016).

Les isothermes de sorption/désorption des composites RSD5 et SBPD5 sont très similaires, on

n’observe pas de différences notables selon les granulats végétaux utilisés, cette absence

d’influence du type de granulats a été observée par ailleurs par Belayachi et al. (Belayachi et

al. 2015) concernant le type de granulats utilisé dans des bétons de paille. L’aire d’hystérésis

engendrée par le composite SBD8 est légèrement plus importante, on observe de même de plus

96

fortes valeurs de saturation en eau que pour les autres composites aux humidités relatives

élevées. Ceci peut être dû à l’apparition de ponts capillaires à de plus faibles valeur d’humidité

relative du fait de la présence de pores de plus petites dimensions dans l’écorce de tournesol

que dans les autres granulats étudiés.

Figure 3-12. Isotherme de sorption/désorption des biocomposites SPD5, RSD5, SBPD5 et

SBD8

3.4.2 Absorption capillaire

Outre les capacités des bétons végétaux à réguler l’humidité ambiante sous forme de vapeur

d’eau, la connaissance de leur capacité à entrainer des remontées capillaires dans les parois

voire à se désagréger en cas d’immersion partielle permettront d’anticiper des consignes de

mise en œuvre. Les maitres d’œuvre et artisans préconisent en effet de protéger les matériaux

biosourcés exception faite du liège, de tout contact avec l’eau liquide celle-ci pouvant entrainer

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100

Sr (

%)

Humidité relative HR (%)

RSD5 Sorption

RSD5 désorption

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100

Sr (

%)

Humidité relative HR (%)

SBPD5 sorption

SBPD5 désorption

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100

Sr(%

)

Humidité relative HR (%)

SPD5 sorption

SPD5 désorption

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100

Sr (

%)

Humidité relative (%)

SBD8 sorption

SBD8 désorption

97

leur dégradation directe ou via l’apparition de moisissures. L’ajout d’additifs peut permettre de

limiter certaines dégradations dues à l’érosion et au ruissellement comme c’est le cas du silicate

d’éthyle (Tiennot et al. 2014). Les mesures d’absorption capillaire ont été par conséquent

réalisées sur deux échantillons de chacun des biocomposites RSD5, SBPD5, SPD2 et SBD8

sans additif (échantillons témoins), et par la suite sur des échantillons avec 5% de chaux (nom

biocomposite + suffixe L) et 5% de silicate d’éthyle (nom biocomposite + suffixe SE) après

une cure de 28 jours pour examiner l’influence de ces deux additifs sur le comportements des

biocomposites En effet les premiers essais réalisés sur les biocomposites ont montré la

dégradation des échantillons pendant les essais de capillarité. Ces observations nous ont

conduits à réfléchir à stabiliser les matériaux en ajoutant les additifs (chaux ou silicate d’éthyle)

utilisés dans la littérature.

La terre crue a été substituée par des mélanges terre-chaux à 5% massique de :

Chaux aérienne formulée Tradical PF80 M. Cette chaux contient 85% de chaux aérienne

et 15% de liants hydrauliques, elle est conforme aux DTU 26.1 et aux règles

professionnelles d’exécution des bétons de chanvre.

Silicate d’éthyle issu du produit Estel 1100 consolidant pour pierre calcaire de CTS. Il

s’agit d’une solution de white spirit à 70% de tétra-éthoxy-silane et 5% de polysiloxanes

oligomères.

Le mode de préparation des éprouvettes cylindriques est similaire à celui des éprouvettes sans

additifs avec un temps de cure de 28 jours nécessaire pour la chaux et le silicate d’éthyle. 3

éprouvettes de chaque mélange ont été réalisées.

3.4.2.1 Méthode

Afin d’observer les phénomènes de capillarité sur les biocomposites des échantillons

cylindriques de 5,5cm de diamètre et 10cm de hauteur ont été préparés selon le protocole décrit

précédemment. Après avoir déposé des échantillons en étuve à 60°C, ceux-ci ont été placés au

contact d'une nappe d'eau libre de 5mm de hauteur maintenue à niveau constant dans une pièce

à atmosphère contrôlée à 23°C (Figure 3-14). Ce mode opératoire a été mis en place sur les

différents échantillons utilisés, ceux sans additif (témoins), ceux contenant la chaux et ceux

avec silicate d’éthyle.

Des mesures de masse ont ensuite été réalisées à intervalles de temps croissants. La masse

initiale du tamis mouillé ayant préalablement été mesurée

98

Figure 3-13. Dispositif de l’essai de remontées capillaires

3.4.2.2 Résultats

Les courbes d’absorption d’eau représentées sur la Figure 3-15, nous permettent de constater la

présence d’une phase d’absorption rapide sur environ 30 minutes suivie par une diminution de

la valeur de la pente avant d’aboutir à un plateau lorsque l’absorption atteint une hauteur de

remonté capillaire maximale. La valeur de la pente de ces courbes lors de la première phase

d’absorption nous permet d’aboutir aux coefficients d’absorption qui sont indiqués dans le

Tableau 3-4 conjointement avec la hauteur maximale de remontée capillaire.

Le coefficient d’absorption capillaire a été obtenu à partir des mesures de masses d’eau

spécifiques absorbées par unité de surface comme fonction de la racine carrée du temps. Le

coefficient de transfert liquide Ac est obtenu à partir de la pente de la courbe d’absorption de

masse lorsqu’elle est exprimée en fonction de la racine carrée du temps tel que décrit par

l’Equation 6 :

𝐴𝑐 = ∆𝑚

𝐴.∆√𝑡 (6)

Avec:

Ac (kg/(m2.s1/2): coefficient d’absorption d’eau

Δm (kg): masse d’eau absorbée

A (m2): surface de contact entre l’eau et l’éprouvette

t (s) : durée d’absorption

99

Figure 3-14. Courbes d’absorption d’eau par unité de surface en fonction de la racine carrée

du temps pour les différents biocomposites (témoins, avec chaux (-L) et silicate d’éthyle (-

SE))

Les graphiques précédents montrent l'évolution du taux d'absorption d'eau en fonction de la

racine carrée du temps pour les différents échantillons.

Nous remarquons que les plus fortes quantités d’eau absorbées sont engendrées par SPD2. Cette

valeur est en accord avec les propriétés intrinsèques d’absorption des granulats présentées dans

le chapitre II. Cette forte capacité d’absorption est accompagnée d’un gonflement important des

composites SPD2. L’influence de la porosité des granulats végétaux sur les propriétés

capillaires des bétons végétaux a été constatée par ailleurs concernant les mélanges chaux-

chanvre et chaux-colza, le composant chaux-colza étant plus sensible que celui en chaux-

chanvre aux remontées capillaires(Rahim, Douzane, A. D. Tran Le, et al. 2016).

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25

Eau

ab

sorb

ée (

kg/m

2)

Racine carrée du temps s1/2

SPD2 SPD2-L

SPD2-SE

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25

Eau

ab

sorb

ée (

kg/m

2)

Racine carrée du temps s1/2

SBPD5 SBPD5-L

SBPD5-SE

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25

Eau

ab

sorb

ée (

kg/m

2)

Racine carrée du temps s1/2

RSD5 RSD5-L

RSD5-SE

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25

Eau

ab

sorb

ée (

kg/m

2)

Racine carrée du temps s1/2

SBD8 SBD8-L

SBD8-SE

100

Figure 3-15. Hauteur atteintes en fin d’essai par les remontés capillaires des biocomposites

avec sans additifs

Les coefficients d’absorption d’eau des échantillons avec silicate d’éthyle sont sensiblement

moins élevés que ceux similaires des échantillons témoins et avec chaux, les écarts sont d’autant

plus marqués pour les composites SBD8 possédants la plus forte proportion de terre-crue

(Figure 3-17). La différence de coefficient d’absorption entre les matériaux et selon les additifs

utilisés est indiquée dans le Tableau 3-4. On constate que les remontées capillaires sont moins

importantes pour les biocomposites traités au silicate d’éthyle (Tableau 3-4). De même, une

différence de hauteur des remontées capillaires est constatée entre les échantillons sans additifs

et les échantillons traités à la chaux. Dans le cadre des matériaux utilisés ici, l’addition de chaux

au liant terre-crue ne diminue pas la capillarité et favorise le délitement des composites

contrairement à ce qui a été observé par Cédric Flament sur les fines de lavage (Flament 2012),

avec un ajout de chaux favorisant au contraire des remontées capillaires plus hautes comme

cela a également été constaté par Gomes et al. lors de l’ajout de chaux ou de ciment à l’argile

dans des murs en pisé (Idalia Gomes et al. 2016). Cette augmentation de la capillarité

conjointement avec l’ajout d’additifs est due selon eux à une augmentation de la porosité liée à

la floculation de l’argile et peut engendrer une dégradation plus rapide des murs en pisé, les

101

auteurs conseillent par conséquent d’effectuer les réparations de murs en pisé sans utiliser des

additifs comme la chaux ou le ciment. D’un autre côté, le gel de silice engendré par l’interaction

du silicate d’éthyle avec les plaquettes d’argile (principalement la kaolinite) a permis de

rigidifier le squelette granulaire (voir chapitre III) tout en diminuant la porosité inter-granulaire

et, par conséquent, diminuant la capillarité des matériaux traités.

Figure 3-16. Coefficients d’absorption des différents composites avec et sans additifs

Biocomposites Coefficients

d'absorption capillaire (kg/(m2s1/2))

Hauteur maximale de remontée capillaire

(mm)

SPD2 1,39 60

SPD2-L 1,43 58

SPD2-SE 0,28 55

RSD5 0,72 55

RSD5-L 1,27 70

RSD5-SE 0,65 28

SBPD5 1,06 56

SBPD5-L 1,11 68

SBPD5-SE 0,11 21

SBD8 11,67 52

SBD8-L 10,02 93

Sans additifSans additif

Sans additif

Sans additif

Chaux Chaux Chaux

Chaux

S ES E

S ES E

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

SPD2 RSD5 SBPD5 SBD8

Co

effi

cien

t d

a'b

sort

ion

kg/

(m2 s

1/2)

Biocomposites

102

SBD8-SE 0,57 28

Tableau 3-4. Coefficient d’absorption capillaire des biocomposites avec et sans additifs

3.5 Influence du silicate d’éthyle et de la chaux sur les propriétés

mécaniques des biocomposites

3.5.1 Stabilisation à la chaux

La chaux est un additif fréquemment utilisé pour la stabilisation de la terre crue que ce soit en

géotechnique ou pour la fabrication d’adobes ou de briques de terre comprimées (Brahim

Mazhoud et al. 2017), (Garzón et al. 2016). L’amélioration des propriétés mécaniques est due

aux réactions pouzzolaniques lentes engendrant la génération de silicates de calcium et

d’aluminates de calcium hydratés (C-S-H) et (C-A-H) dans le cas de kaolonites (Khay 2012),

(Wang et al. 2012), (Brahim Mazhoud et al. 2017). La quantité de chaux qui sera additionnées

à la terre crue passe par un maximum après quoi son augmentation en proportion n’apportera

que peu de bénéfices selon Gutella et al. (Guettala et al. 2002). L’objectif dans ce projet étant

de conserver un bilan environnemental vertueux, nous nous sommes basé sur un ajout de chaux

fixé à 5%.

3.5.2 Stabilisation au silicate d’éthyle

Les propriétés de consolidation et d’hydrofugation du silicate d’éthyle ou tétra-éthoxy-silane

Si(OC2H5) ont d’abord été constatées et exploitées pour la consolidation des pierres calcaires

(Association MEDISTONE 2010), (Bromblet et al. 2002). Plus récemment, les capacités du

silicate d’éthyle à stabiliser les terres kaolinitiques notamment dans l’optique d’améliorer la

résistance à l’érosion du patrimoine archéologique ont commencé à être étudiées (Tiennot et al.

2014). Le silicate d’éthyle, molécule faisant partie de la famille des produits silicones réagit à

l’humidité de l’air en formant de la silice hydratée. L’un de ses avantages est qu’il ne va pas

produire de sel susceptible de créer des efflorescences et de fragiliser les mortiers au séchage,

mais de l’alcool éthylique, qui s’évapore au fur et à mesure que la réaction d’hydrolyse se

poursuit. Quand le silicate est ajouté à l’argile, cette hydrolyse a lieu par l’échange de groupes

103

hydroxyles présents en grand nombre à la surface des particules d’argile (a fortiori dans les

argiles kaolinitique) engendrant un grand nombre de liaisons avec les gels de silices (Wheeler

2005).

3.5.3 Comportement des biocomposites stabilisés

Seuls les résultats concernant les biocomposites avec les granulats suivants : colza, écorce de

tournesol, mélange moelle-écorce sont présentés ici. En effet, faute de granulat de moelle de

tournesol en quantité suffisante, nous n’avons pas pu réaliser un nombre statistiquement

représentatif d’éprouvettes. Une tentative a toutefois été réalisée en réutilisant d’anciennes

éprouvettes du biocomposite SPD2 en les réhydratants et en les adjuvantants de façon idoine.

Toutefois, la consistance des mélanges est singulièrement différente d’un mélange n’ayant pas

été réutilisé et le composite est moins rigide. En effet, les granulats de moelle de tournesol après

avoir été hydratés et séchés ne retrouvent pas leur volume initial (effet d’éponge séchée) ni leur

volume à l’état hydraté lors d’une seconde hydratation, leur proportion volumique diffère par

conséquent des granulats non recyclés. Un autre facteur influençant la plus faible cohésion du

biocomposite vient de la proportion plus faible de polysaccharides relâchée par la moelle de

tournesol entrainant une adhésion moindre des granulats par les sucres (voir chapitre II). Ces

constations ont été corrélées par les tests mécaniques entrepris sur les échantillons témoins qui

présentent une forte déviation par rapport aux biocomposites non recyclés.

Les échantillons à base de colza ne développant pas de rupture mais une augmentation continue

de la contrainte de compression dans le domaine plastique avec ou sans additifs, les contraintes

maximales ont uniquement été mesurées pour les échantillons à base d’écorce et de moelle-

écorce de tournesol. Ceci nous amène à apporter les éléments de discussion qui font suite :

L’ajout de chaux à 5% dans les biocomposites induit systématiquement une diminution des

performances mécaniques en rigidité ou en résistance à la compression. L’ajout de chaux est

pourtant utilisé pour son apport en termes d’augmentation de la rigidité mécanique lorsqu’il est

ajouté pour stabiliser des sols dans des proportions de 5 à 10%. Les biocomposites de cette

étude possèdent une faible proportion volumique de terre crue, cette proportion se révèle

insuffisante pour créer un squelette granulaire suffisamment rigide pour reprendre la totalité

des efforts imposés aux éprouvettes. La quantité et le type de granulat végétaux influent donc

de façon prépondérante sur les propriétés mécaniques. De plus, la stabilisation de la terre-crue

avec la chaux s’effectue via la création de liaison pouzzolaniques de type C-S-H et C-A-H or,

104

la présence de granulats végétaux lors de la préparation des mortiers libère différents

polysaccharides (Marechal & Rigal 1999), (Sedan 2007), cette lixiviation exacerbée par

l’apport alcalin de la chaux va inhiber la création des liaisons C-S-H et C-A-H et entrainer un

effet de farinage tout en entrainant un mécanisme de dégradation des fibres végétale par

hydrolyse alcaline et minéralisation (Yan et al. 2016). Ce phénomène constaté sur les bétons de

chanvre (Sedan 2007), (Nozahic 2012) est davantage prégnant ici car les granulats utilisés pour

ces composites se trouvent en forte proportion volumique. De plus, la chaux est utilisée en

faible proportion. La réaction pouzzolanique de la chaux va par conséquent être inhibée de

même que son hydratation tout en diminuant la part « collante de la terre crue ». Son adjonction

va par conséquent avoir pour effet de diminuer les propriétés mécaniques des composites

comme cela peut être constaté sur la contrainte à rupture des composites (Figure 3-17) ou leur

module d’élasticité (Figure 3-18).

Figure 3-17. Contrainte maximale des biocomposites avec et sans additifs

La Figure 3-18 représente l’impact de l’ajout de chaux et de silicate d’éthyle sur les

biocomposites RSD5, SBPD5 et SBD8 en termes de rigidité. L’impact de ces additifs sur les

échantillons à base de colza se révèle mineur, comme il a été constaté pour l’échantillon RSD5

précédemment, les efforts sont essentiellement repris par la paille, l’influence du liant « la

matrice » étant minorée. Les écarts de rigidité deviennent notables pour les échantillons à base

d’écorce et de moelle-écorce de tournesol.

Sans additif

Sans additif5% chaux

5% chaux

5% SE

5% SE

0

0,5

1

1,5

2

2,5

SBD8 SBPD5

Co

ntr

ain

te m

axim

ale

de

com

pre

ssio

n (

MP

a)

Biocomposites

105

Figure 3-18. Module de Young des biocomposites avec sans additifs

3.5.4 La stabilisation de la terre-crue est-elle à rechercher ?

La terre crue, matériau vernaculaire utilisé depuis des millénaires (des briques de terre crue ont

été utilisées en Mésopotamie vers 10 000 avant J.C.) dans la plupart des régions du globe, a pu

démontrer sa durabilité lorsque les techniques d’utilisation et d’entretien des édifices sont

maitrisées de façon assidue (Heathcote 1995) – des murs de terre crue de 900 ans sont entretenus

par le peuple Taos au Nouveau Mexique, des immeubles de plus 400 ans subsistent au Yémen

et dans ces deux cas la longévité des édifice va de pair avec la reprise régulière des enduits de

terre extérieur –. Les limites de ce matériau d’un point de vue structurel et de résistance à

l’immersion ont amené les populations à lui préférer le béton de ciment de Portland gage de

performances mécaniques et résistant à l’érosion et au ruissellement. L’impact environnemental

du ciment de Portland a permis de reconsidérer les qualités intrinsèques du matériau terre crue,

à commencer par sa faible empreinte énergétique. L’espoir d’une appropriation de ce matériau

par les acteurs du bâtiment est à souhaiter dans l’optique d’atteindre les objectifs de la COP21

et celle-ci est supposée passer par une amélioration des performances de la terre afin qu’elles

se rapprochent de celles des matériaux conventionnels d’aujourd’hui. L’adjuvantation de la

terre crue d’abord utilisée pour la stabilisation des sols permet d’augmenter très sensiblement

les performances du matériau terre, notamment par l’ajout de liants hydrauliques (ciment et

Sans additifSans additif

Sans additif

Chaux Chaux

Chaux

Silicate d'éthyle

Silicate d'éthyle

Silicate d'éthyle

0

2

4

6

8

10

12

14

16

RS SB SBP

106

chaux) engendrant des réactions pouzzolaniques. Cet axe d’amélioration des performances de

la terre-crue a récemment été remis en question par Vandamme et Houben (Van Damme &

Houben 2017), leur analyse mettant en exergue un réel gain de performances mécaniques

engendré par l’addition de ciment ou de chaux mais ce gain se révèle très insuffisant pour

obtenir des performances permettant de soutenir la comparaison avec le béton de ciment de

Portland. Au final, le surdimensionnement des structures nécessaire pour compenser cet écart

de performance conduit à la mise en œuvre d’un matériau de terre stabilisé ayant une empreinte

énergétique supérieure à une structure en béton de ciment utilisant une quantité bien moindre

de matériau. Ce constat est davantage exacerbé lorsque l’adjonction est effectuée avec de la

chaux. Toutefois, sans vouloir atteindre les performances des liants hydrauliques classiques,

l’ajout d’un faible pourcentage (5-10%) de ciment ou de chaux à la terre-crue va

considérablement impacter le bilan environnemental du matériau en n’augmentant ses

performances « que » de quelques MPa tout en remettant en cause sa recyclabilité (Van Damme

& Houben 2017). Ces constats amènent Vandamme et Houben à conclure que dans la plupart

des cas, la stabilisation de la terre crue avec de la chaux ou du ciment n’apporte pas

suffisamment de bénéfices tant d’un point de vue environnemental que mécanique. Ce constat

est à prendre d’autant plus en considération dans le cas de bétons végétaux pour lesquels la

prise des liants hydrauliques est inhibée par la lixiviation de sucres et lignines. Un renforcement

des propriétés mécaniques des matériaux à base de terre-crue peut toutefois être envisagé en

agissant sur les propriétés de surfaces des plaquettes d’argile par l’ajout en très faible

pourcentage de substances plastifiantes et floculantes (Landrou et al. 2016).

3.6 Conclusion

Les matériaux isolants sont avant tout prescrits pour leur faible conductivité thermique, les

bétons végétaux ne peuvent toutefois que rarement être décrits comme des isolants thermiques

du fait de leur conductivité thermique généralement supérieure à 0,065W/m-1.K-1. Il en est de

même pour les biocomposites de ce projet excepté pour le mélange argile:moelle de tournesol

SPD2 qui a une conductivité de 0,055W/m-1.K-1. Les prérequis en termes de résistance à la

compression des biocomposites sont atteints concernant les critères demandés pour les

matériaux isolants manufacturés en revanche du fait de leur forte hygroscopicité, les mélanges

terre:végétaux doivent être protégés des contacts prolongés avec l’eau sous forme liquide qui

107

engendrera leur détérioration du fait de l’hydratation excessive de la terre crue et de

phénomènes de gonflement-retrait des granulats végétaux tels que décrit par Laborel et

al.(Laborel-Préneron et al. 2016). Malgré ces points faibles, les bétons végétaux sont

fréquemment prescrits lors de rénovations thermiques impliquant des ouvrages en pierres

poreuses tels que le tuffeau (Stephan 2014) de par leurs capacités à respecter les transferts

d’humidité naturels opérants à l’intérieur de ces parois anciennes. Pour cette raison, le

comportement de ce type de biocomposite lorsqu’il est appliqué sur une paroi en tuffeau est

étudié dans le prochain chapitre en prenant en compte les variations climatiques intérieures et

extérieures.

108

4 Impact de l’enduit de finition sur le comportement

des biocomposites

4.1 Introduction

L’un des objectifs du projet BIOCOMP est de pouvoir proposer des solutions d’isolation pour

les bâtiments présents sur le territoire du Pays Touraine Côté Sud. Ce territoire est caractérisé

par la présence majoritaire de bâtis datant d’avant la seconde guerre mondiale. Les matériaux

utilisés pour la construction des murs de cet habitat vernaculaire sont majoritairement constitués

de pierre calcaire très poreuse dite tuffeau et de moellon hourdies à la terre et à la chaux. Comme

indiqué lors de la thèse d’Emma Stéphan (Stephan 2014), l’utilisation de bétons végétaux pour

assurer une continuité capillaire avec la pierre calcaire de tuffeau fortement hygroscopique est

pertinente. Afin de s’assurer de la cohérence des solutions proposées, étudier le comportement

de l’ensemble mur/isolant/enduit de finition s’avère nécessaire à la fois pour évaluer l’impact

de l’enduit de finition sur la régulation de l’humidité intérieure ainsi que sur les performances

acoustiques des parois concernées et enfin, d’un point de vue de la mise en œuvre de ces enduits

pour connaitre quelles implications en terme de durée de séchage de la paroi engendre la mise

en place d’un enduit de finition sur l’isolant encore frais. Afin d’étudier ces différents aspects,

une caractérisation dynamique des échanges d’humidité au sein de la paroi a été réalisée en

déterminant sa capacité de tampon hydrique.

D’un point de vue acoustique, les valeurs d’absorption et d’affaiblissement acoustique de

différents biocomposites ont été déterminées en laboratoire. Une simulation numérique

hygrothermique en utilisant le logiciel WUFI 2D a été réalisée sur la paroi (tuffeau/bio-

composite isolant) afin tout d’abord d’évaluer la validité et l’optimisation des paramètres de

cette simulations par rapports aux résultats expérimentaux obtenus sur une paroi placée en

chambre climatique puis d’étudier l’influence de l’enduit de finition sur la durée de séchage de

la paroi. Cet aspect de l’étude a également pour objet de tenter de répondre à une question

importante ayant trait la mise en place de l’enduit de finition et au besoin d’exacerber le séchage

au moyen par exemple d’une ventilation ou d’un chauffage des pièces après la mise en œuvre

de l’isolant.

109

4.2 Caractérisation hydrique

4.2.1 Mesures de la capacité de tampon hydrique (Moisture Buffer Value - MBV)

La mesure de la valeur pratique de tampon hydrique (practical MBV) caractérise le

comportement hydrique des matériaux lorsque ceux-ci sont exposés à des variations

périodiques d’humidité relative. Ce protocole a été élaboré par Rode et al. (Rode et al. 2007)

pour déterminer la capacité des matériaux utilisés dans l’habitat à absorber ou désorber l’eau

sous forme de vapeur présente à l’intérieur des habitations lorsque l’humidité relative varie du

fait de variations de conditions climatiques ou anthropiques. Rode et al. sont partis du constat

que les conditions d’usage des matériaux ne sont pas statiques, l’humidité relative dans les

espaces intérieurs variant dans une fourchette de valeurs. Les matériaux d’isolation participent

à réguler les pics d’humidité relative permettant de maintenir des conditions sanitaires

optimales (voir chap. I-3-4). Des mesures permettant de simuler les variations d’humidité

relatives ont été effectuées dans une enceinte climatique KBF240 (Figure 4-2). Ici, trois

échantillons de chaque formulation (SPD2, RSD5, SBPD5 et SBD8) ont été soumis à des

variations d’humidité : 8h à 75%HR et 16h à 33%HR à 23°C. Cette caractérisation dynamique

des capacités de tampon hydrique des matériaux prétend simuler de façon plus réaliste les

changements d’atmosphère climatique journaliers dans une habitation que dans le cas d’une

simulation statique et traduire ainsi ses capacités de régulation de l’humidité intérieure.

Le protocole de mesure proposé par Rode et al. (Rode et al. 2007) a été choisi pour le

déroulement de ces essais dynamiques. Des échantillons de 16cm de diamètre et 6 cm

d’épaisseur ont été préparés et étanchéifiés avec de l’adhésif d’aluminium sur toutes les faces

sauf une afin d’obtenir une surface exposé à l’ambiance hydrique de 0,02m2 (Figure 4-1). La

vitesse du ventilateur dans l’enceinte climatique a été réduite à 10% de sa capacité, une mesure

avec un anémomètre hygromètre mobile nous a permis de vérifier que les ambiances étaient

similaires autour des différents échantillons placés dans l’enceinte avec un flux d’air inférieur

à 0,05m/s (Figure 4-2).

L’expérimentation a été arrêtée après que les écarts de masse relevés entre les quantités d’eau

absorbées à 75%HR et désorbées à 33%HR soient devenus inférieurs à 0,20% pendant 3 jours

consécutifs. Cette stabilisation a été obtenue après seulement 4 cycles (Figure 4-8). La mesure

de tampon hydrique (MBV) est exprimée en g/(m2.%RH) et a été obtenue à partir de l’Equation

7.

110

𝑀𝐵𝑉 =∆𝑚

𝐴.(%𝑅𝐻ℎ𝑖𝑔ℎ−%𝑅𝐻𝑙𝑜𝑤) Équation 7

Δm représente la moyenne entre la masse d’eau adsorbée (prise de masse) et désorbée (perte de

masse) une fois que le système a atteint un équilibre dynamique (g) et A représente la surface

exposée en m2.

Figure 4-1. Echantillons de biocomposite avec enduit de finition pour essai MBV avec une

face exposée

111

Figure 4-2. Echantillons SPD2, SBPD5, RSD5 et SBD8 dans l’enceinte climatique

Figure 4-3. De gauche à droite: RSD5, SBD8 et SPD2, avec enduit de finition (bas) et sans

enduits de finition (haut)

112

Parallèlement aux mesures effectuées sur des échantillons de composite brut, nous avons voulu

connaître l’influence de l’enduit de finition appliqué sur un tel matériau sur ses capacités de

régulation hydrique. Colinart et al. et Collet et al. (Colinart et al. 2016), (Collet et al. 2013) ont

étudié l’influence d’un enduit de finition à base de chaux-sable qui a fait chuter de 40 à 50% la

capacité de tampon hydrique du matériau par rapport à l’isolant chaux-chanvre non enduit,

tandis qu’un enduit de finition en chaux-chanvre ne fait chuter cette valeur que de 8%. En effet,

les matériaux étudiés ici ayant vocation à être utilisés en tant qu’isolant intérieur pour la

rénovation des bâtiments seront recouverts d’un enduit de finition pour des raisons esthétiques

et de protection. L’enduit de finition utilisé pour les bétons de chaux-chanvre est à base de

chaux et de sable. Ici, l’enduit de finition utilisé par les artisans est à base de terre-crue et de

sable dans les proportions massiques 1:3 avec un rapport terre-crue:eau de 1:0,8. La terre crue

utilisée pour la préparation de l’enduit est la même que celle utilisée pour les biocomposites.

L’épaisseur d’enduit de finition appliquée sur les échantillons est de 8mm ce qui représente une

masse de 340g pour chaque échantillon. Les mêmes échantillons utilisés pour la mesure sans

enduits de finition ont été enduits et utilisés pour la deuxième campagne de mesures, les

échantillons avant et après application de l’enduit de finition sont représentés sur la Figure 4-3.

4.2.2 Comparaison des capacités de tampon hydrique

La terre crue est connue pour ses qualités de régulation de l’humidité. Palumbo et al. (Palumbo,

McGregor, et al. 2016) ont de plus observé que l’ajout de granulats végétaux comme la moelle

de maïs permet d’améliorer les capacités de tampon hydrique de la terre crue.

Comme attendu, les capacités de tampon hydrique mesurées ici pour les échantillons non

recouverts d’enduits de finition sont supérieures à 2 g/(m2.%RH) (Tableau 4-1), les MBV des

matériaux caractérisés peuvent par conséquent être qualifiés d’excellentes selon la

classification proposée par Rode et al. (Rode et al. 2007) ce qui signifie que le matériau a la

capacité d’absorber et réémettre des quantités importante de vapeur d’eau contenues dans

l’atmosphère intérieure et par la même de lisser les pics ou creux d’humidité relative améliorant

ainsi le confort intérieur. Afin de disposer d’éléments de comparaison, les MBV des matériaux

de cette étude (avec et sans enduits de finition) ainsi que celles trouvées dans la littérature pour

d’autres biocomposites liant-végétaux ont été représentées dans la Figure 4-5. Nous pouvons

constater que les capacités de tampon hydrique de ces différents matériaux peuvent être

considérées de bonnes à excellentes selon la terminologie proposée par Rode et al (Figure 4-4).

113

Les facteurs influençant ces valeurs sont liés d’une part au type de liant utilisé et d’autre part

aux granulats végétaux utilisés. Ainsi, le béton de amidon-chanvre présente une capacité de

régulation hydrique nettement supérieure à celle du béton de chaux-chanvre (Colinart et al.

2016). De même la régulation hydrique des mélanges terre-colza de notre étude est plus

importante que celle des mélanges chaux-colza développés par Rahim et al. (Rahim, Douzane,

A. D. Tran Le, et al. 2016). Concernant ce dernier, l’écart peu important inférieur à

0,5g/(m2.%RH) est également influencé par les proportions liants:granulats ainsi que le type de

granulats, en effet, le colza utilisé par Rahim et al. (Rahim, Douzane, A. D. Tran Le, et al. 2016)

possède une masse volumique (125 kg/m3) supérieure au colza utilisé ici (65 kg/m3) avec,

respectivement, une porosité mesurée de 89% et 94%, les proportions différentes de moelle

dans la paille colza pourraient expliquer ces différences. Un effet synergétique entre le liant et

les granulats végétaux peut également être invoqué pour expliquer le comportement excellent

des matériaux en termes de régulation hydrique comme cela a déjà été évoqué par Mazhoud et

al. (Mazhoud et al. 2016) pour le couple terre-crue : chènevotte, les valeurs de MBV des

matériaux en terre-chanvre étant supérieures à celle de la terre-crue seule ou au béton de

chaux:chanvre. Il n’est donc pas surprenant de constater de meilleures performances de

régulation hydriques des mélanges terre:colza et terre:tournesol par rapport au béton de

chaux:chanvre étant donné que les granulats de colza développent un comportement plus

hygroscopique que celui de la chènevotte et qu’il en est de même pour l’emploi de la terre-crue

vis-à-vis de la chaux ou de liants pouzzolaniques.

Granulats Liant

Masse

volumique

kg/m3

MBV

W/(m.K) Références

RSD5 (Etude

présente) Argile 438 2,87 Etude actuelle

SBPD5 (Etude

présente) Argile 512 2,86 Etude actuelle

SBD8 (Etude

présente) Argile 714 2,72 Etude actuelle

114

SPD2 avec enduit

(Etude présente) Argile 1,68 Etude actuelle

SBPD5 avec enduit

(Etude présente) Argile 1,86 Etude actuelle

SBD8 avec enduit

(Etude présente) Argile 1,8 Etude actuelle

RSD5 avec enduit

(Etude présente) Argile 1,7 Etude actuelle

Chanvre-paille (35) Polysaccharide 180 2,27 (Labat et al. 2016)

Chanvre-paille (B1) Polysaccharide 188 2,2 (Labat et al. 2016)

Chanvre-paille (B2) Polysaccharide 166 2,22 (Labat et al. 2016)

Chanvre-paille (S2) Polysaccharide 182 2,42 (Labat et al. 2016)

Béton chaux-

chanvre sans enduit Chaux

1,9 (Lelièvre et al. 2015)

Béton chaux-

chanvre enduit [4] Chaux

1,2 (Lelièvre et al. 2015)

Amidon-chanvre Amidon 670 4,25 (Umurigirwa et al.

2014)

Liant

pouzzolanique-

lavande non traitée

Pouzzolanique 577 3,85 (Ratiarisoa et al.

2016)

Liant pouzzolanique

Lavande traitée

(Ratiarisoa et al.

2016)

Pouzzolanique 661 3,5 (Ratiarisoa et al.

2016)

Argile-chanvre Argile

2,68 (B. Mazhoud et al.

2017)

Chaux-colza Chaux 381 2,45

(Rahim, Douzane, A.

D. Tran Le, et al.

2016)

Tableau 4-1. Capacités de tampons hydriques de différents biocomposites

115

Figure 4-4. Classement qualitatif des valeurs des capacités de tampon hydrique proposé par

Rode et al. (Rode et al. 2007)

116

Figure 4-5. Capacités de tampon hydrique (MBV) de différents biocomposites

4.2.2.1 Capacité de tampon hydrique et masse volumique

Nous pouvons constater que la masse volumique des matériaux n’exerce pas une influence

significative sur les bétons végétaux comme cela peut-être visualisé sur la Figure 4-6. Il

convient également de préciser que les valeurs sensiblement plus élevées de MBV relevées sur

les mélanges lavande: liant pouzzolanique ont probablement été influencées par les conditions

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

SPD2 (Etude présente)

RSD5 (Etude présente)

SBPD5 (Etude présente)

SBD8 (Etude présente)

SPD2 avec enduit (Etude présente)

SBPD5 avec enduit (Etude présente)

SBD8 avec enduit (Etude présente)

RSD5 avec enduit (Etude présente)

Béton chaux-chanvre sans enduit (Lelièvreet al. 2015)

Béton chaux-chanvre enduit (Lelièvre et al.2015)

Amidon-chanvre (Umurigirwa et al. 2014)

Liant pouzzolanique-lavande non traitée(Ratiarisoa et al. 2016)

Liant pouzzolaniqueLavande traitée(Ratiarisoa et al. 2016)

Argile-chanvre (B. Mazhoud et al. 2017)

Chaux-colza (Rahim, Douzane, A. D. TranLe, et al. 2016)

Chanvre-paille (S2) (Labat et al. 2016)

MBV [g/(m2.%RH)] @8/16h

Bio

com

po

site

s

117

expérimentales spécifiées dans l’article de Ratiarisoa et al. (Ratiarisoa et al. 2016) et différentes

du protocole Nordtest (température supérieure à 23°C et vitesse de l’air en contact avec les

échantillons supérieure à 0,1m/s). L’absence de corrélation entre la masse volumique des

matériaux et leurs valeurs de capacité de tampon hydrique, a préalablement été observée par

Collet et ses collaborateurs pour des mélanges terre-paille, par Mazhoud et al. Pour des

mélanges terre:chanvre et McGregor et al. pour la terre crue (Collet et al. 2016), (Mazhoud et

al. 2016), (McGregor et al. 2014).

Figure 4-6. Capacité de tampon hydrique de différents bétons à base de granulats végétaux en

fonction de leur masse volumique

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

MB

V [

g/(

m2.%

RH

)] @

8/1

6h

(Ref étude - biocomposite - (Masse volumique en kg.m3)

118

4.2.2.2 Capacité de tampon hydrique et enduits de finition

L’influence de l’enduit de finition sur les capacités de régulation hydrique a été étudiée dans le

cas de bétons de chaux-chanvre par Lelièvre et al. et Collet et al.(Lelièvre et al. 2015), (Collet

et al. 2013). Lors de l’application d’un enduit de finition en chaux-sable, Lelièvre et al. ont

relevé une diminution des valeurs de MBV de 40% sur les bétons de chanvre. Lors de cette

étude, lorsqu’un enduit de finition constitué d’argile et de sable a été appliqué, la capacité de

tampon hydrique des biocomposites terre:végétaux a diminué en moyenne de 32% pour SPD2,

35% pour SBPD5, 34% pour SBD8 et 41% pour RSD5 (Figure 4-7). Cette différence de

régulation entre les échantillons avec et sans enduits de finition peut également être constatée

au cours du temps sur la Figure 4-8 en observant l’amplitude entre la masse d’eau absorbée et

la masse d’eau désorbée lors des cycles à 75%HR et 33%HR. La différence d’amplitude entre

le RSD5 et le RSD5 avec enduit est de 5g d’eau ce qui correspond à une différence de plus de

20% d’eau absorbée et désorbée pour une surface équivalente.

119

Figure 4-7. Capacité de tampon hydrique des biocomposites avec et sans enduits de finition

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

SPD2 SPD2avec

enduit

RSD5 RSD5avec

enduit

SBPD5 SBPD5avec

enduit

SBD8 SBD8avec

enduit

MB

V [

g/(

m2.%

RH

)] @

8/1

6h

Biocomposites

120

Figure 4-8. Masse d’eau absorbée et désorbée pour les échantillons RSD5 avec enduit (en

haut) et sans enduit (en bas) lors des cycles à 75%HR et 33%HR à 23°C

L’argile utilisée pour l’élaboration de l’enduit de finition est majoritairement composée de

kaolinite (Chapitre II) or, les propriétés de tampon hydrique varient sensiblement de 1,13 à

3,13g/(m2.%RH) selon la composition minéralogique des argiles comme indiqué par Mc Gregor

et al. (McGregor et al. 2014). Les argiles gonflantes de type montmorillonite (smectite)

possédant les valeurs de tampon hydriques les plus élevées. La volonté de conserver une

capacité de tampon hydrique excellente peut ainsi pousser à favoriser l’utilisation d’une

proportion d’argiles plus gonflantes telles que les smectites dans l’élaboration des enduits de

765

765,5

766

766,5

767

767,5

768

768,5

769

0 20 40 60 80 100 120

Mas

se d

e l'é

chan

tillo

n e

n g

ram

me

Temps en heures

RSD5-C

446

446,5

447

447,5

448

448,5

449

449,5

450

450,5

451

0 20 40 60 80 100 120

Mas

se d

e l'é

chan

tillo

n e

n g

ram

me

Temps en heures

RSD5

121

finition. Palumbo et al. (Palumbo, McGregor, et al. 2016) ont constaté que l’ajout de granulats

végétaux améliore la vitesse d’absorption de la vapeur d’eau comparée à la terre-crue seule, ce

qui corrobore nos essais. Les auteurs suggèrent donc l’emploi de ce type de matériaux dans les

pièces humides telles que les salle-de-bain où la production de vapeur d’eau est soudaine.

Toutefois, comme indiqué par Labat (Labat et al. 2016), il convient de considérer que la

régulation hydrique à l’échelle d’une pièce de vie dépend de différents facteurs et pas

uniquement de la capacité de tampon hydriques des matériaux de parement et de finition mais

également des caractéristiques de la ventilation mise en place dans les pièces concernées

notamment le taux de renouvellement d’air intérieur.

4.3 Caractérisation acoustique

Dans le domaine de l’isolation acoustique des bruits aériens dans l’habitat, les propriétés des

matériaux de construction généralement investiguées sont l’absorption acoustique dans une

gamme de fréquence déterminée via le coefficient α Sabine qui représente la quantité d’énergie

sonore non réfléchie par un matériau (située entre 0 à 1 du moins absorbant au plus absorbant)

et l’indice d’affaiblissement acoustique ou transmission loss (TL) qui caractérise l’aptitude d’un

matériau à atténuer la transmission du son aboutissant à une valeur en dB selon la fréquence

émise. La qualité de l’isolation acoustique d’un local dépend de nombreux facteurs, la

connaissance des propriétés des matériaux de parement tels que les matériaux isolants et les

enduits ne saurait suffire pour garantir des performances d’absorption ou d’isolation acoustique.

En effet, l’environnement de la pièce, la topologie, les différents matériaux composant

l’intérieur et l’extérieur de la pièce ainsi que la qualité de la mise en œuvre auront des

incidences. C’est pourquoi les procédures normalisées de mesures de propriétés acoustiques

s’effectuent dans des conditions in situ à l’échelle d’un bâtiment, des mesures à l’échelle d’un

mur peuvent également être effectuées dans un laboratoire Il est toutefois nécessaire de

connaitre les caractéristiques intrinsèques des matériaux ne serait-ce que pour les comparer

avec d’autres matériaux similaires existants sur le marché. Des essais réalisés à l’échelle du

matériau ont été développés à l’aide de tubes à impédances (ou tubes de Kundt), ici les essais

ont été réalisés à l’aide d’un tube de Kundt de 100mm de diamètre et 1,45m de hauteur et équipé

de 3 microphones au CEREMA de Strasbourg (Figure 4-9). La source d’émission imposée par

la norme ISO 10534-2 couvre une gamme de fréquence de 50 à 10 000 Hz.

122

Figure 4-9. Présentation d’un tube à impédance (en bas) et de son installation verticale au

CEREMA de Strasbourg (en haut)

La gamme de fréquence prise en compte lors des présents essais se situe entre 250 et 2000 Hz.

Cette limite de mesure en haute fréquence fmax est fixée par la norme ASTM E1050 selon la

relation de l’Equation 8. Il est nécessaire de travailler en-dessous de cette limite supérieure de

fréquence pour s’assurer de la propagation d’ondes planes dans le tube par la relation suivante :

𝑓𝑚𝑎𝑥 <0,586.𝑐

𝑑 Équation 8

123

c représentant la célérité des ondes acoustiques planes en m.s-1 et d le diamètre interne du tube

en m.

Le diamètre du tube est ici de 10cm, un tel diamètre est nécessaire pour minimiser les effets

liés à la non homogénéité des matériaux et prendre en compte la taille importante des granulats

ainsi que pour empêcher des effets de bord. Afin d’insérer les échantillons dans le tube de

Kundt, ceux-ci sont préalablement entourés de ruban de téflon et une fine couche de vaseline

est disposée en périphérie de l’échantillon pour s’assurer d’une parfaite étanchéité.

Cette gamme de fréquence restreinte entre 250 et 2000Hz est fixée d’une part par la limite

supérieure de fréquence qui est imposée par le diamètre du tube. Il est en effet nécessaire de

travailler en-dessous de cette limite supérieure de fréquence pour s’assurer de la propagation

d’ondes planes dans le tube. La limite basse de fréquence d’autre part est imposée par la distance

existante entre les 2 premiers microphones.

Le tube de Kundt utilisé admettant des échantillons cylindriques d’un diamètre précis de

100mm, des moules cylindriques de diamètre différents ont dû être utilisés. En effet, des effets

de retrait ou gonflement des échantillons différents selon les biocomposites apparaissent. Ils

peuvent être liés aux granulats en tant que tels (la moelle a tendance à fortement se dilater

lorsqu’elle est hydratée et d’engendrer un retrait lors de son séchage). De même, les proportions

volumiques liant/granulats varient selon les biocomposites ainsi que la force de compactage

utilisée pour leur élaboration. Ces différents facteurs impactent le comportement des matériaux

lors de la phase de séchage. Ainsi, les échantillons RSD5 et SBD8 ont tendance à développer

un léger gonflement et les échantillons contenant de la moelle de tournesol SBPD5 et SPD2 ont

tendance à développer des phénomènes de retrait.

Glé et Arnaud ont déterminé, lors de l’étude de granulats de chanvre (chènevotte) que les pores

inter-granulaires plus volumineux et disposant de connections plus larges entre les pores que

les pores intra-granulaires, participent pour l’essentiel aux propriétés acoustiques (Glé et al.

2011), (Glé et al. 2012). Trois proportions volumiques liant:granulats différentes sont utilisés

dans les différents biocomposites SPD2, RSD5-SBPD5 et SBD8 de forme cylindrique, de

diamètre 100mm et d’épaisseur 40mm. De même, la force de compactage utilisée pour

l’élaboration des éprouvettes diffère d’un biocomposite à l’autre. Il est par conséquent attendu

que le compactage ait une influence sur la porosité inter-granulaire et les propriétés acoustiques.

124

Lors des mesures, nous avons considéré de façon distincte les deux faces des échantillons. Nous

avons vu en effet dans le chapitre 3 que lors de l’élaboration des éprouvettes par compactage,

un différentiel de densité se crée le long des cylindres engendrant par la même des ruptures

mécaniques de façon préférentielle dans la partie la moins dense. De même, l’aspect des

éprouvettes dans le fond et au-dessus de celles-ci est légèrement différent, ils nous a par

conséquent semblé nécessaire d’effectuer les essais sur chacune des 2 faces et de les comparer

comme ce qui a été effectué par Degrave-Lemeurs et al. (Degrave-lemeurs et al. 2018) pour des

mélanges chaux-chanvre et terre-chanvre. Ainsi, la face A représente la face inférieure lisse et

la face B, la face supérieure rugueuse des cylindres étant en contact avec le piston lors de la

phase de compactage.

4.3.1.1 Effet du type de biocomposite

Les résultats des mesures d’absorption acoustique présentés sur la Figure 4-10 indiquent en

effet que l’échantillon le moins compacté (SPD2) développe la meilleure absorption acoustique

sur la gamme de fréquence étudiée, les composites RSD5 et SBPD5 de même ratio volumique

liant:granulats engendrent des phénomènes d’absorption acoustique similaires et les composites

les plus compactés SBD8 vont engendrer des phénomènes d’absorption acoustique réduits

comparativement aux autres composites. Une méthode de détermination acoustique de la

porosité inter-granulaire développée par Philippe Glé (Glé 2014) corrobore ce différentiel de

valeurs, les résultats sont présentés dans le Tableau 4-2. Un pic d’absorption avec un coefficient

α Sabine de 0,8-0,9 est observable vers 800-1000Hz pour les composites RSD5 et SBPD5 et un

pic d’intensité supérieure à 0,95-1,00 est observable dans la zone 1000-1500Hz pour le

composite SPD2. La présence de pics d’absorptions indique la présence de plusieurs échelles

de porosités comme cela a pu être constaté sur les bétons de chanvre par Cérézo (Cerezo 2005)

pour des épaisseurs de 100mm. Le composite SBD8 ne développe quant à lui aucun pic

d’absorption, les valeurs du coefficient α Sabine présentant des valeurs stables de 0,4-0,6 sur la

gamme de fréquence 250-2000Hz.

Biocomposites

Masse volumique

(kg/m3)

Estimation porosité

intragranulaire (>10μm)

SBD8 714 44%

125

RSD5 438 57%

SBDPD5 512 Non exploitable

SPD2 235 66%

Tableau 4-2. Porosité intergranulaire des biocomposites évaluée par méthode acoustique

Les propriétés d’affaiblissement acoustique sont quant à elles davantage affectées par la masse

volumique des matériaux utilisés, plus celle-ci est élevée, plus le matériau aura la capacité

d’absorber les ondes sonores incidentes. En effet, plus une paroi sera lourde et épaisse plus

l’affaiblissement sera important selon la loi de masse applicable pour une paroi ne comportant

qu’un seul matériau homogène (Equation 9).

𝑇𝐿 = 19𝑙𝑜𝑔𝑀 + 20𝑙𝑜𝑔𝑓/500 Équation 9

Avec TL : affaiblissement acoustique

M : masse surfacique de la paroi en kg/m2

f : fréquence

Les résultats des mesures d’affaiblissement acoustique présentés sur la Figure 4-11 sont en

bonne adéquation avec la hiérarchie des valeurs attendues vis-à-vis de la masse volumique des

composites présentée dans le Tableau 4-3. Ainsi, l’affaiblissement acoustique engendré par

SBD8 est environ 2 fois supérieur à celui engendré par les composites RSD5 et SBPD5 et 3

fois supérieur à celui engendré par le matériau le moins dense : SPD2.

126

Figure 4-10. Coefficients d’absorption α Sabine des composites RSD5 (haut à gauche, SBD5

(haut à droite), SBPD5 (Bas à gauche) etSPD2 (bas à droite) selon les faces inférieures (A) ou

supérieures (B)

127

Figure 4-11. Affaiblissement acoustique TL des composites RSD5 (haut à gauche, SBD8

(haut à droite), SBPD5 (Bas à gauche) etSPD2 (bas à droite) selon les faces inférieures (A) ou

supérieures (B)

4.3.1.2 Effet de l’enduit de finition

Les matériaux isolants élaborés à partir des composites SPD2, RSD5, SBPD5 et SBD8 sont en

règle générale recouverts d’un enduit de finition dont la vocation est à la fois esthétique et

d’éviter un effritement des isolants par contact. L’impact de l’ajout d’enduits de finition

élaborés à base de mortiers terre-sable dans les proportions et épaisseurs décrites au paragraphe

précédent de ce chapitre a été étudié. L’application de ces enduits engendre une modification

de l’état de surface du matériau, plus lisse, favorisant la réverbération et minimisant par

conséquent l’absorption acoustique. De même cette couche de 8mm de mélange terre-sable a

une masse volumique nettement plus importante que celle des biocomposites et possède sa

128

propre porosité. Une augmentation de l’affaiblissement acoustique est par conséquent attendue

par rapport aux composite sans enduits de finition.

Nous constatons sur la Figure 4-12 une homogénéisation des valeurs d’absorption acoustique

des différents matériaux. Le parement apposé sur le matériau isolant gouverne les propriétés

acoustiques des composites. Une baisse drastique de l’absorption acoustique est observée suite

à l’application de l’enduit terre-sable, le coefficient d’absorption α Sabine se situant entre les

valeurs 0,1 et 0,2 sur la gamme de fréquence 250-2000Hz avec une absence de pics d’absorption

contrairement aux composites sans-enduits.

Nous constatons sur la Figure 4-13 que les propriétés d’affaiblissement acoustique engendrées

par les composites enduits sont sensiblement améliorées, elles sont de l’ordre de 40 à 60dB

pour les composites enduits RSD5 et SBD8 et de 30 à 40dB pour les composites SBPD5 et

SPD2 dans la gamme de fréquence 500-2000Hz tandis que ces valeurs se sont révélées

inférieures à 20dB pour les composites sans enduits RSD5, SBPD5 et SPD2 et de l’ordre de

20 à 30dB pour les composites SBD8. L’enduit de finition apporte un gain de performance

conséquent en termes d’affaiblissement acoustique des sons extérieurs. Il convient toutefois de

prendre en compte que l’obtention d’une parfaite étanchéité en périphérie des échantillons est

difficile à assurer, même avec comme ici, un colmatage à la vaseline. Cette prise en compte est

nécessaire pour analyser les écarts d’affaiblissement acoustique pouvant apparaître pour un

même matériau selon les échantillons.

129

Figure 4-12. Coefficients d’absorption α Sabine des composites avec enduits de finition

RSD5 (haut à gauche, SBD5 (haut à droite), SBPD5 (Bas à gauche) etSPD2 (bas à droite)

130

Figure 4-13. Affaiblissement acoustique TL des composites avec enduitsRSD5 (haut à

gauche, SBD5 (haut à droite), SBPD5 (Bas à gauche) etSPD2 (bas à droite)

4.4 Evaluation expérimentale et numérique d’une paroi en tuffeau

isolée en terre-colza

4.4.1 Caractérisation expérimentale de la résistance thermique de la paroi

4.4.1.1 Préparation de la paroi

La chambre climatique 3R est un système de boite chaude gardée permettant de mesurer le flux

de chaleur traversant une paroi disposant d’une fenêtre de mesure de 80x80cm à l’échelle 1.

Dans le cadre de cette étude, un montage similaire à celui réalisé par Madrid et al. (Madrid et

al. 2018) sur une paroi de blocs en chaux-terre:sciure de bois a été mis en place. Ici, un mur en

131

pierre de tuffeau de 120x120cm a été monté avec des blocs de 20cm d’épaisseur jointoyés à la

chaux par l’artisan partenaire du projet (Figure 4-14). L’enduit isolant testé lors de ce montage

correspond au mélange RSD5, c’est-à-dire un volume d’argile pour un volume d’eau et 7

volumes de colza broyé. Les volumes ont été mesurés avec des seaux de 20L, le colza ayant été

légèrement vibré et arasé. Afin de se rapprocher du protocole de fabrication utilisé au

laboratoire, la terre crue puis l’eau ont été incorporés dans un premier temps dans la bétonnière

puis, après 5min, le colza broyé. L’enduit isolant a été appliqué par banchage et compacté à la

main. Avant chaque application de l’enduit, un mélange de terre et d’eau de fraction volumique

1 :1 faisant office de gobetis d’accroche a été appliqué sur la hauteur d’une banche. Le

comportement fortement capillaire de la pierre de tuffeau impose en effet d’appliquer cette

couche d’accroche progressivement pour que le calcaire n’ait pas le temps d’assécher l’argile

avant que l’enduit isolant ne soit appliqué. Le mélange terre-colza est versé strate après strate

entre la planche de coffrage et le mur et compacté à la main sur une épaisseur de 10cm. Les

planches de coffrages ont été retirées 24h après l’application de l’enduit isolant afin de favoriser

le séchage, de limiter l’apparition de moisissures, et de répondre à la question des artisans pour

la mise en œuvre et l’organisation des travaux lors d’un chantier de rénovation.

132

Figure 4-14. Paroi de pierres de tuffeau maçonnées à la chaux

Lors du séchage de la paroi, des fissures sont apparues provoquant des strates dans l’enduit

isolant. Le compactage engendre une remontée de l’eau contenue dans le mortier isolant à la

surface de chaque strate et l’excès d’eau entre 2 strates induit une fissuration lors du séchage.

Ces phénomènes de retrait se retrouvent régulièrement après le banchage de bétons végétaux.

Un colmatage des fissures fut alors nécessaire pour éviter les déperditions thermiques (Figure

4-15).

Ici, en vue d’observer l’influence de ces fissurations sur nos résultats, deux essais ont été

effectués sur la paroi en imposant des conditions aux limites similaires avant et après la

réparation des fissures.

133

La réparation a été réalisée en comblant les fissures par des couches d’isolant de laine de bois

qui possède une conductivité thermique proche de celle de l’isolant utilisé (λ laine de bois=0,05

W/m-1.K-1).

Figure 4-15. Enduit isolant de composition RSD5 appliqué sur la paroi en tuffeau avant

colmatage des fissures à l’aide de laine bois à gauche et après à droite

4.4.1.2 Présentation du dispositif

Cette expérimentation a nécessité l’utilisation d’une chambre climatique de type « thermo3 »

présente au laboratoire PRISME de l’université d’Orléans (Figure 4-16). Il s’agit d’un dispositif

de mesure des transferts thermiques à l’échelle 1, au travers d’une paroi plane verticale. Le

principe de l’expérience consiste à disposer un modèle de paroi adapté, entre deux cellules

climatiques nommées respectivement chambre chaude et froide (Figure 4-17). Lors de cette

expérimentation, la cellule placée en chambre chaude simule l’intérieur d’une pièce de vie

contenant un système de chauffage et un générateur d’humidité. L’objectif étant de maintenir

les consignes de température et d’humidité relative imposées par l’utilisateur. La deuxième

simule l’ambiance extérieure, seule la température peut y être fixée.

Ce dispositif expérimental permet : à la fois d’évaluer la température et l’humidité relative au

cours du temps et également de caractériser le comportement hygrothermique de la paroi

étudiée en fonction des conditions imposées par l’opérateur pour simuler des conditions

extérieures et intérieures différentes.

134

Figure 4-16. Chambre climatique thermo3

Figure 4-17. Paroi disposée dans la chambre climatique

135

4.4.2 Approche numérique du comportement hygrothermique de la paroi

4.4.2.1 Transfert hygrothermique dans un matériau poreux

Les transferts d’humidité et de chaleur dans le logiciel WUFI 2D utilisé pour les simulations

numériques est basé sur les équations de conservations d’humidité et de chaleur. Künzel

(Künzel 1995) a développé un modèle permettant de prendre en compte les transports couplés

de chaleur et de masse en partant des équations 5 et 6 permettant de relier les paramètres thermo-

hydrique:

Conservation de la masse :

𝜕𝑤

𝜕𝐻𝑅

𝜕𝐻𝑅

𝜕𝑡 =

𝜕

𝜕𝑥(𝐷𝜑 .

𝜕𝐻𝑅

𝜕𝑥 + 𝛿𝑝.

𝜕

𝜕𝑥(𝐻𝑅. 𝑃𝑠𝑎𝑡)) (5)

Inertie Hydrique Diffusion liquide Diffusion vapeur

Conservation de la chaleur :

𝜕𝑇

𝜕𝑡. 𝑐. 𝜌0 =

𝜕

𝜕𝑥(𝜆.

𝜕𝑇

𝜕𝑥) + 𝐿𝑣.

𝜕

𝜕𝑥(𝛿𝑝 .

𝜕

𝜕𝑥(𝐻𝑅. 𝑝𝑠𝑎𝑡) ) (6)

Inertie thermique Conduction thermique Convection liquide et convection vapeur

Avec :

HR : humidité relative [-], t : temps [s]

Psat : pression de vapeur saturante [Pa]

ρ0 : masse volumique apparente sèche [kg.m-3]

w : teneur en eau du matériau [kg.m-3]

c: chaleur massique du matériau [J.kg-1.K]

Dφ : conductivité liquide [kg.m-1.s-1]

λ: conductivité thermique du matériau [W.m-1.K-1]

δp : perméabilité à la vapeur d’eau du matériau

Lv : chaleur latente de changement de phase [kg.m-1.s-1.Pa-1]

Les différents paramètres varient avec l’humidité relative et donc la teneur en eau du matériau,

le flux de vapeur d’eau est également responsable d’un flux additionnel d’énergie engendré par

le flux de chaleur latente hv issu des changements de phase de l’eau. Cette approche permet de

136

constater que les deux équations et par conséquent les flux de masse d’eau et de chaleur sont

fortement couplés.

4.4.2.2 Outil de simulation numérique : WUFI

Les dernières décennies ont connues l’émergence de nombreux modèles HAM (Heat, Air and

Moisture). L’essor continu de l’outil informatique a permis le développement de modèles de

plus en plus complexes, fiables et rapides. De nombreux supports différents sont ainsi utilisés

(WUFI, Comsol Multiphysics, TRNSYS, Fortran, Energy Plus, Matlab/Simulink...)

(Oumeziane 2014). "WUFI 2D" est un logiciel d’analyse éléments finis développé par Künzel

(Künzel 1995), il permet de simuler les transferts de chaleur, et d’eau sous forme liquide et de

vapeur (Eq.5 et 6) autorisant la prédiction des données liées à la température et l’humidité des

parois multicouches d’une construction soumises à un régime climatique dynamique.

L’influence de l’un et l’autre de ces paramètres ainsi que leurs interactions réciproques sont

prises en compte lors de l’évaluation des performances des parois

Les caractéristiques des matériaux et les conditions climatiques peuvent être sélectionnées

parmi ceux présents dans le logiciel ou être insérées dans la base de données de WUFI pour la

compléter à partir des conditions climatiques réelles et des mesures in situ. Les données

intégrées dans le logiciel WUFI ont été reprises des différentes caractérisations effectuées lors

de ce projet. D’autres données telles que la conductivité thermique λ, la chaleur spécifique Cp

et la résistance à la diffusion µ de RSD5 ont été déterminées lors des simulations WUFI

suivantes en comparant les résultats numériques et expérimentaux.

4.4.2.3 Géométrie et condition aux limites

La paroi étudiée est une paroi multicouche constituée de trois différentes couches (Figure 4-

18):

Une couche de tuffeau

Une couche d’isolant biosourcé (RSD5)

Une couche d’enduit de finition à base d’argile

137

Figure 4-18. Paroi multicouche modélisée et conditions aux limites

Afin d’étudier l’influence de l’enduit de finition sur le séchage de l’isolant biocomposite, deux

modèles de paroi ont été considérés:

Paroi avec enduit : Mur en tuffeau | isolant RSD5 | enduit de finition

Paroi sans enduit : Mur en tuffeau | isolant RSD5

Afin de déterminer la conductivité thermique λ à l’état humide, la chaleur spécifique Cp et le

coefficient de résistance à la diffusion de vapeur μ, des simulations numériques ont été

effectuées sur la paroi sans enduit de finition, les résultats expérimentaux du flux de chaleur

obtenus via la chambre climatique étant utilisés comme référence. Pour réaliser ces simulations,

les données de température et d’humidité relative mesurées dans les deux chambres, chaude et

froide ont été insérées dans un fichier climat servant de référence de paroi dans le logiciel

WUFI.

Chaque matériau est défini par des paramètres intrinsèques :

Masse volumique ρ [kg/m3]

Conductivité thermique λ [W/(m.K)]

Porosité n [%]

Coefficient de résistance à la diffusion Rd [-]

Chaleur spécifique Cp [J/(kg.K)]

4.4.2.4 Evaluation des paramètres de l’isolant

138

La mise en œuvre de l’isolant par banchage a modifié ses propriétés mesurées sur les

éprouvettes élaborées au laboratoire. En effet l’utilisation des propriétés déterminées

expérimentalement pour la simulation numérique a montré un écart entre le flux mesuré et le

flux calculé. Ainsi pour utiliser des paramètres se rapprochant du matériau banché pour étudier

l’effet de l’enduit de finition, nous avons réalisé des simulations numériques des essais

expérimentaux dans la cellule climatique avec les mêmes conditions de température et

d’humidité en changeant les paramètres (conductivité thermique, chaleur spécifique, et

résistance de diffusion à la vapeur). Une comparaison a été réalisée ensuite entre le flux de

chaleur résultant de la simulation numérique et expérimentale avec une différence de

température de 25°C entre les façades de la paroi et une humidité relative imposée dans la

chambre chaude égale respectivement à 66% et 68% pour le premier et deuxième essai. La

simulation avec le logiciel WUFI a été réalisée en faisant uniquement varier les conditions

initiales: Température initiale Tinit et humidité relative initiale HRinit. . L’étude paramétrique a

été réalisée pour chaque paramètre seul et après pour les trois pour pouvoir finalement trouver

un jeu de paramètres à utiliser pour la suite des simulations numériques.

Matériau Densité

[kg/m3]

Porosité

[%]

Cp(J/(kg.K))

λ

(W/(m.K))

Rd[-] Epaisseur

[mm]

Tuffeau 1310 48 650 0,48 20 200

RSD5 300 77 1300 0,1 4,5 100

Enduit de finition

à base d’argile

1600 67 850 0,85 7 20

Tableau 4-3. Paramètres insérés dans la base de données de WUFI

Cas 1 : HR=66% et ΔT=25 °C

Les conditions initiales de température ont été mesurées dans la cellule climatique à 21°C dans

la chambre chaude et au sein même du composite RSD5 via une sonde additionnelle (Figure 4-

19) introduite au milieu de la couche de l’isolant indiquant une humidité relative stabilisée au

début des essais à 85%. Les deux courbes des flux de chaleur déterminées expérimentalement

et numériquement, sont présentées dans les Figure 4-20 et 4-21, les oscillations observées sur

la courbe expérimentales étant provoquées par la régulation du thermostat de la chambre

climatique:

139

Figure 4-19. Sonde de mesure de température et humidité relative interne à l’isolant RSD5

Figure 4-20. Essai avec ΔT=25°C--HR=66%

Cas 2 : HR=68% et ΔT=25 C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

26/04/2017 26/04/2017 26/04/2017 26/04/2017 26/04/2017 26/04/2017 27/04/2017 27/04/2017 27/04/2017 27/04/2017

Flu

x d

e ch

aleu

r [

W]

Temps [jours ]

FLUX EXPERIMENTAL

FLUX -WUFI

140

Figure 4-21. Essai avec ΔT=25°C-HR=68%

Les courbes du flux de chaleur expérimentales et numériques présentées sur les figures (4-20

et 4-21) correspondent aux résultats selon une concordance satisfaisante. Ces paramètres

(Tableau 4-3) ont été donc conservés pour la suite des simulations numériques.

4.4.3 Etude numérique de l’influence de l’enduit sur la durée de séchage de

l’isolant biocomposite

Pour des raisons esthétiques autant que pour prévenir les dégradations de l’isolant, une couche

d’enduit de finition est généralement appliquée en tant que parement intérieur sur les murs

recouverts d’isolants à base de bétons biosourcés. Toutefois, étant généralement appliquée

après séchage dans le cas des matériaux à base de végétaux mis en place par banchage, la date

de clôture d’un chantier employant les isolants terre:végétaux est d’autant retardée. En vue de

récolter des données sur l’impact de l’application d’un enduit de finition sur la durée de séchage

de l’isolant RSD5, l’influence de 4 types d’enduits différents sur la durée de séchage a été

étudiée: enduit à base d’argile (correspondant à l’enduit utilisé réellement sur les chantiers),

enduit à la chaux, enduit « bâtard » (chaux-ciment), enduit au ciment et enfin sans enduit de

finition. Pour le calcul numérique, une exposition de la paroi à un climat pluvieux a été modélisé

par une faible température (Text=5°C) et une grande humidité relative (HR=95%) suivi d’un

climat ensoleillé modélisé par une forte température (Text=30°C) et une faible humidité relative

(HR=60%) (Figure 4-22).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

02/05/2017 02/05/2017 02/05/2017 03/05/2017 03/05/2017 03/05/2017 03/05/2017

Flu

x d

e ch

aleu

r [

W]

Temps [ jours]

Flux de chaleur expérimental

Flux de chaleur de WUFI

141

Figure 4-22. Variation de la température et l’humidité relative du climat extérieur en fonction

du temps

Le calcul de la durée de séchage du biocomposite RSD5 étudié est basé sur la mesure de

l’humidité au sein du matériau à l’aide d’une sonde mesurant la teneur en eau (voir figure 4-

18) ainsi que sur la courbe de sorption-désorption du matériau, celle-ci permettant d’aboutir à

la teneur en eau de RSD5 selon le taux d’humidité relative auquel il est exposé. À partir de la

teneur en eau calculée au niveau de l’isolant en fonction du temps, le temps de séchage est pris

égal à la durée prise pour passer de : 65% ou 56% à 44%HR (selon le cas étudié).

L’humidité relative 65%, est récupérée à partir des mesures d’humidité relevées au cœur de

l’échantillon (Figure 4-23). En effet, l’humidité au cœur de l’isolant passe d’une valeur

moyenne de 90 % après le banchage à une valeur de 65 % après environ deux mois dans la salle

d’essai entre avril et juin 2017. La teneur en eau (prise comme valeur du début de séchage) est

ensuite déterminée à partir de la courbe de désorption de RSD5 (Figure 4-24), ainsi, la teneur

en eau du composite RSD5 placée dans une atmosphère de 65% d’humidité relative est de 73.81

kg/m3.

142

Figure 4-23. Evolution de l'humidité relative au milieu de l'isolant argile+ colza en fonction

du temps

Figure 4-24. Courbe de sorption de l’isolant RSD5

Le choix de l’enduit de finition a une influence directe sur l’évolution de la teneur en eau dans

l’isolant. Par conséquent, la durée de séchage de ce dernier fraichement mis en œuvre

(correspondant à la durée ou il atteint la teneur en eau cible de 73 kg/m3) sera influencée par le

choix de l’enduit. Pour mettre en évidence cette influence, la durée de séchage de l’enduit

isolant RSD5 a été calculée pour chaque enduit utilisé. Les durées de séchage sont présentées

dans le Tableau ci-dessous :

Sans

enduit

Enduit à

la chaux

Enduit à base

d’argile

Enduit

chaux:ciment

Enduit

ciment

143

Durée de séchage

[jours] HR 65%

46.5 81 109 136 210

Durée de séchage

[jours] HR 56%

75,5 132 181 232,5 353

Tableau 4-4. Durée de séchage de la couche d’isolant selon la composition de l’enduit de

finition utilisé

Comme indiqué sur la Figure 4-25, la valeur d’humidité relative de 44% n’est pas atteinte après

une année de séchage. La variation des durées de séchage est engendrée par le facteur de

résistance à la diffusion de vapeur de chaque enduit utilisé (Figure 4-26). En effet, plus l’enduit

admet une diffusion de vapeur importante plus l’évacuation de l’eau présente dans l’isolant sera

aisée et donc la durée de séchage sera faible.

Figure 4-25. Variation de la teneur en eau à l’intérieur de l’isolant biocomposite en fonction

du temps

144

Figure 4-26. Facteur de résistance à la diffusion et durée de séchage de différents enduits de

finition

Cette étude comparative établie la pertinence de l’utilisation d’enduits de finition en terre-crue

en terme de régulation de l’humidité et donc de séchage d’un isolant en terre-végétaux par

rapport à d’autres enduits à base de chaux et ciment. De même, l’enduit de finition à base de

chaux permettant d’aboutir à une évacuation plus rapide de l’humidité de la paroi sera à

privilégier par rapport aux enduits contenant une proportion de ciment Portland. Ces

simulations permettent également de mettre en avant que la durée de séchage de l’isolant

biocomposite recouvert d’un enduit de finition à base d’argile est deux fois et demie plus

importante que celle sans enduit. Toutefois, il a été constaté par Jay et al. (Jay et al. 2017) que

la mise en place ou non d’un enduit de finition sur des blocs de chaux-chanvre non secs a un

impact moindre sur la durée de séchage. La diminution de la période de séchage étant un facteur

essentiel pour éviter l’apparition de moisissures dans l’isolant bio composite, une attention

particulière doit être apportée sur le type d’enduit de finition à utiliser (ou son absence) au

moment de la mise en œuvre. Les retours d’expériences de l’artisan participant au projet

suggèrent que les mélanges chaux:végétaux parviennent plus rapidement à évacuer leur

humidité que les mélanges terre:végétaux dans des conditions de mise en œuvre similaires.

4.5 Conclusion

Ce chapitre nous a permis de corroborer les excellentes propriétés de régulation hydrique des

composites terre:végétaux en régime dynamique, la synergie entre la terre-crue et les granulats

végétaux (B. Mazhoud et al. 2017) permettant d’obtenir des valeurs de capacité de tampon

hydrique plus élevées pour nos biocomposites (lorsqu’ils ne sont pas recouverts d’un enduit de

finition) que nombre de bétons végétaux connues pour être d’excellent régulateurs. La

pertinence de l’utilisation de matériaux biosourcés non recouvert de parements qui

145

annihileraient fortement leurs performances de régulation hydriques a déjà été soulevée par

Palumbo et al. (Palumbo, Lacasta, et al. 2016). De même, les performances acoustiques en

absorption permettent à ces matériaux non enduits de participer grandement à la sensation de

confort intérieur, des différences de propriétés acoustique apparaissent selon les biocomposites,

elles sont liées à la masse volumique et au ratio volumique liant:granulats des matériaux.

Toutefois, la présence d’un élément de plus forte masse volumique au sein d’une paroi va

augmenter l’affaiblissement des sons extérieurs. Afin d’optimiser les performances du mur, la

mise en place d’une couche de biocomposites offrant un état de surface rugueux sur un mur

extérieur de forte densité semble un excellent compromis. Il convient de considérer toutefois

que la présence d’aspérités va favoriser la présence de poussière qui est un des facteurs de

dégradation de la qualité de l’air intérieur (Verdier et al. 2014).

Le logiciel de simulation hygrothermique des parois WUFI basé sur le modèle développé par

Künzel représente une prédiction satisfaisante du comportement de parois soumises à des

variations climatiques. Cependant la complexité des phénomènes des transferts d’énergie et de

masses d’eau ayant lieu dans les matériaux en terre crue notamment est insuffisamment prise

en compte dans le modèle de Künzel selon certains auteurs comme Soudani et al. (Soudani et

al. 2016) qui propose une évolution du modèle pour décrire les phénomènes hygrothermique

dans les murs en pisé par exemple.

146

147

Conclusion Générale et perspectives

148

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet région Centre-Val de Loire BIOCOMP dont

l’objectif est de proposer des matériaux destinés particulièrement à l’isolation thermique

adaptés au patrimoine en pierre calcaire du territoire du Sud Touraine ou, de manière plus

générale, à la rénovation thermique des bâtiments et ce, en alliant une démarche scientifique

d’optimisation à une démarche d’application artisanale afin de répondre à des besoins de

diminution de consommations d’énergie et d’impact environnemental.

Les travaux menés dans ce cadre s’inscrivent comme une déclinaison locale des initiatives

décrites au niveau de l’état français dans la loi de transition énergétique pour une croissance

verte vers un modèle de société plus sobre à l’horizon 2020. La déclinaison de cette loi pour la

période 2015-2020 est détaillée dans la stratégie nationale de transition écologique vers un

développement durable (MEDDE 2014) selon plusieurs axes de travail. Le projet BIOCOMP

prétend apporter des réponses plus particulièrement aux axes 1,2 5 et 6 :

Axe 1 - Développer des territoires durables et résilients

Axe 2 - S’engager dans l’économie circulaire et sobre en carbone

Axe 5 - Accompagner la mutation écologique des activités économiques

Axe 6 - Orienter la production de connaissances, la recherche et l’innovation vers la

transition écologique

Le travail de thèse représente l’élément essentiel pour assurer ce lien entre une démarche

scientifique, d’augmentation de connaissances et une finalité d’application bien fondée.

Dans le premier chapitre, il nous est apparu pertinent de situer les éléments de contexte

permettant d’appréhender les notions mentionnées dans les axes 1, 2, 5 plus particulièrement

dans le cas de territoires résilients et d’économie circulaire en les reliant avec la mise en place

d’une filière locale de production d’agromatériaux pour l’isolation des habitations. Ce fut

également l’occasion de préciser la pertinence environnementale de l’utilisation de matériaux

locaux adaptés à l’habitat vernaculaire. Enfin, nous avons relié les paramètres de microstructure

et de porosité des matériaux à leurs performances hygrothermiques et acoustiques tout en

permettant d’apporter des réponses d’un point de vue sanitaire à la qualité de l’air à l’intérieur

des lieux de vie.

L’objectif du deuxième chapitre était dans un premier temps d’analyser les matières premières

à disposition sur le territoire du Sud Touraine depuis leur production jusqu’à leurs propriétés

intrinsèques. Les matériaux de base ainsi retenus étant les tiges de colza et de tournesol broyées

servant de granulats végétaux et une terre-crue à forte proportion d’argile kaolinitique qui

servira de liant pour agglomérer les granulats entre eux. Nous avons pu alors constater une forte

149

diversité de masse volumique selon les granulats incitant à séparer la partie interne de la tige de

tournesol, la moelle de sa partie externe l’écorce. Il s’agissait également de partir du savoir-

faire artisanal présent sur ce territoire pour aboutir à la formulation et à la description d’un

protocole de mise en œuvre de différents biocomposites tels qu’ils pourraient être appliqués sur

un chantier avec la technique du banchage.

Les biocomposites réalisés ayant pour vocation d’améliorer l’isolation des bâtiments, les

caractéristiques thermiques et mécaniques de ceux-ci ont tout d’abord été déterminées. Ce fut

l’occasion de confirmer que la masse volumique des mélanges terre-végétaux est le critère qui

aura la plus forte influence sur les performances. Celles-ci se situant dans une gamme de tenue

mécanique permettant leur utilisation non structurelle en tant qu’isolant. Concernant les

performances thermiques quoique supérieures aux prérequis permettant de qualifier ces

matériaux comme isolants thermiques − à l’exception notable d’un mélange terre-crue:moelle

de tournesol (SPD2) − sont comparables à celles d’autres bétons végétaux et permettent

d’envisager une prescription similaire.

Les bétons végétaux sont souvent prescrits pour leurs qualités de régulation hydrique, les

isothermes de sorption-désorption permettent de caractériser les capacités de stockage de

l’humidité dans les matériaux selon les humidités relatives ambiantes. La connaissance de cette

isotherme est également utile dans l’optique de simulations numériques des propriétés

hygrothermiques des matériaux. Nous avons pu constater des profils et des capacités similaires

selon les différents biocomposites.

L’un des principaux inconvénients freinant l’utilisation de la terre-crue tient à sa fragilité face

au contact avec l’eau sous forme liquide. Des essais de capillarité ont mis en exergue cette

fragilité accentuée par les phénomènes de gonflement des granulats végétaux imbibés.

Un deuxième frein à l’utilisation massive de la terre-crue tient à sa faible résistance mécanique

vis-à-vis d’autres liant minéraux, cette faiblesse étant également fortement exacerbée par l’ajout

de granulats végétaux. Comme propositions d’amélioration de ces deux faiblesses nous avons

proposé une adjuvantation de la terre-crue par un faible pourcentage de chaux aérienne dont

l’effet tant d’un point de vue mécanique que de la capillarité fut contre-productif engendrant

une détérioration des performances. La raison principale invoquée étant l’inhibition de

l’hydratation de la chaux engendrée par les lixiviats des granulats végétaux composés de

polysaccharides. Une autre approche, basée sur les travaux d’Ann Bourgès concernant

l’application de silicate d’éthyle comme protection d’enduits en terre crue pour la préservation

150

du patrimoine a été étudiée. Le gel de silice engendré apporte cette fois-ci un gain substantiel

en termes de résistance à la compression et de diminution des remontées capillaires. La fin du

3ème chapitre nous a donné l’occasion de nous questionner quant à la pertinence de la

stabilisation des ouvrages en terre-crue par des liants minéraux tels que la chaux et le ciment.

L’étude menée par Van Damme et Houben pointe en effet une forte dégradation du bilan

environnemental de la terre-crue pour un gain de résistance mécanique modéré rejoignant de ce

point de vue nos résultats rencontrés avec l’ajout de la chaux.

Afin de ne pas s’éloigner des pratiques professionnelles observées pour la rénovation des

habitations vernaculaires sur le territoire du Sud Touraine, une paroi en pierre de tuffeau locale

de 120x120cm isolée avec un biocomposite a été placée à l’intérieur d’une chambre climatique

afin d’évaluer le comportement du flux de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur d’un mur ainsi

isolé. Nous avons voulu également dans le but de se confronter aux performances des matériaux

tels qu’ils sont mis en œuvre, par la mise en place des essais pour déterminer l’influence de

l’enduit de finition sur les propriétés acoustiques des biocomposites ainsi que sur la régulation

dynamique de l’humidité et une simulation numérique via le logiciel WUFI pour évaluer

l’influence de cet enduit de finition terre-sable sur la période de séchage du biocomposite à

l’état frais.

L’enduit de finition permet l’absorption et la restitution d’une quantité moindre de l’humidité

contenue dans une pièce soumise à une variation dynamique de 8h à 75%HR et 16h à 33%HR,

de même, la pose d’une couche d’enduit de finition sur les biocomposites engendre une

augmentation de la réverbération acoustique des parois au détriment de l’absorption diminuant

ainsi le confort acoustique. En revanche l’ajout supplémentaire d’un matériau de forte masse

volumique tel qu’un enduit terre-sable va permettre d’augmenter l’affaiblissement acoustique

améliorant l’isolation contre les bruits extérieurs.

A la vue de ces résultats, il serait tentant d’inciter à l’absence de prescription de parement de

finition sur les bétons végétaux toutefois, les considérations d’ordre esthétique, de protection

de l’isolant ainsi que la prévention des poussières prennent le pas à l’heure actuelle et rares sont

les maitres d’ouvrages souhaitant conserver une couche d’isolant à base de composites

biosourcés sans parement intérieur.

Le logiciel de simulation de transferts hygrothermiques dans les parois WUFI 2D, une fois les

paramètres des différents matériaux entrés, a permis d’obtenir une bonne corrélation des

résultats avec ceux obtenus expérimentalement via la chambre climatique thermo3. Les

151

simulations ont permis de répondre à la problématique du séchage en impliquant une mise en

place d’un enduit de finition juste après la mise en œuvre des isolants pour apporter une réponse

aux difficultés rencontrées sur les chantiers de rénovation dues aux temps très long induits par

les temps de séchage d’isolant. Cependant les différents mécanismes d’échanges en lien avec

les transferts thermo-hydriques dans les parois étant complexes lorsque des matériaux tels que

la terre-crue sont impliqués, des équipes de recherche telle que celle Soudani à l’ENTPE de

Lyon développent de nouveaux modèles plus adaptés à ce type de matériau.

Perspectives

La principale réticence des artisans qui emploient les matériaux terre-crue:granulats végétaux

tient à leur durée de séchage et à ses conséquence : délai de chantier et développement de

moisissures. La réduction de la durée de séchage est donc perçue comme prioritaire, celle-ci

nécessite une réduction de la quantité d’eau pouvant être obtenue de façons diverses :

Utilisation d’agents dispersants

Utilisation de projeteuse/cardeuse avec enrobage des granulats en sortie de buse

Utilisation de produits fongicide pour prévenir l’apparition de moisissures

Compléter la caractérisation de ces mélanges terre-crue:végétaux, pourra permettre de les

comparer de manière plus précise avec d’autres bétons végétaux, de même certains paramètres

tels que la chaleur spécifique et la perméabilité à la vapeur d’eau seront nécessaire pour pouvoir

tester des modèles de simulations thermiques ou hygrothermiques. D’autres paramètres tels que

la résistance à l’arrachement de l’enduit de finition par rapport au biocomposite et du

biocomposite par rapport à la paroi auront une utilité concrète et font partie des prérequis des

règles professionnelles des enduits sur supports composés de terre-crue. Le succès de la

stabilisation de la terre-crue avec du silicate d’éthyle incite à investiguer davantage son impact

vis-à-vis des caractéristiques hydriques des biocomposites (sorption/désorption, perméabilité,

capacité de tampon hydrique). L’influence de l’utilisation de terres-crues disposants de

caractéristiques minéralogiques différentes de celles de La Rouchouze sur les propriétés

mécaniques et hydriques sera également intéressante à connaitre dans le but de diversifier les

sources d’approvisionnement. La diversification des sources d’approvisionnement peut

s’appliquer également aux ressources en granulats disponibles sur le territoire de la région

Centre-Val de Loire :

Roseau, miscanthus

Mycélium (ecovative design)

152

Balle d’épeautre

Pulpe de betterave déshydratée

Moelle de maïs (épi/tige)

Dans le cadre de l’optimisation du bilan déjà très positif de l’analyse environnementale des

mélanges terre-végétaux, les aspects de recyclabilité et de réemplois de ces matériaux restent à

investiguer. En effet, si une fin de vie de ces matériaux en tant qu’amendement pour les sols

cultivés peut être aisément envisagée selon les adjuvants incorporés aux biocomposites, un

réemploi après réhydratation des mélanges terre-végétaux est également envisageable et même

souhaitable pour en optimiser le cycle de vie et intégrer la déconstruction dans des dynamiques

d’économie circulaire. Cette pratique est déjà utilisée par l’artisan partenaire du projet Éric

Julien concernant le réemploi de torchis ancien pour réparation. Toutefois, la moelle de

tournesol va subir une dégradation de sa structure poreuse après avoir subi un cycle

d’hydratation-séchage. Une fois le retrait dû au séchage de la moelle ayant eu lieu, le

gonflement après réhydratation sera moindre engendrant une plus forte masse volumique. De

plus, la perte d’une partie des polysaccharides lors de la première lixiviation engendre la

diminution du pouvoir cohésif des biocomposites à base de moelle. Ces possibilités de réemploi

des matériaux qui sont de plus en plus étudiées seront certainement différentes selon les

granulats utilisés et les résultats attendus.

Outre les aspects liés aux caractéristiques des bétons végétaux, le frein qui empêche le

développement de l’utilisation de ces matériaux tient à leur absence de certification, empêchant

les entreprises du bâtiment de bénéficier de leur garantie décennale entrainant également

l’absence d’accès aux aides de l’état pour les travaux de rénovation énergétiques. Les matériaux

biosourcés et géosourcés issus de filières locales auront en effet difficilement pour vocation à

entrer dans un processus de normalisation ou de certification type ACERMI pour diverses

raisons :

La variabilité des granulats végétaux dues à :

L’espèce végétale et la variété

Le terroir

Les conditions climatiques

Les conditions de récolte

Les conditions de stockage

153

La forte variabilité des terres crues :

Minéralogique

Granulométrique

La variabilité de la mise en œuvre selon l’artisan, le type de support, les conditions

climatiques,…

Le coût d’un processus de certification

Cette absence de normalisation entraine la réticence des acteurs de la construction à prescrire

ou utiliser ces matériaux rarement assurables. Une utilisation massive de ces matériaux est dans

le cadre réglementaire actuel par conséquent difficilement envisageable. Afin de proposer un

cadre permettant l’emploi de matériaux et de techniques non industriels tels que ceux présentés

ici, une proposition, le projet ASCNI Analyse des caractéristiques des Systèmes Constructifs

Non Industrialisés (CAPEB et al. 2011), est à l’étude. L’objectif étant de garantir que l’artisan

qui mettra en œuvre un matériau non industrialisé possède le savoir-faire nécessaire reconnu

par son assurance pour s’adapter au matériau local. Ce principe permettrait de passer l’écueil

de l’assurabilité et de diffuser plus largement l’emploi de matériaux locaux ne disposant pas de

certification. La connaissance des caractéristiques des matériaux reste bien entendu nécessaire

afin de garantir l’adéquation des performances avec le cadre réglementaire selon les conditions

d’utilisation. Etant même complémentaire d’une telle démarche.

Cette étude permet, pour une gamme de granulats végétaux aux caractéristiques différentes de

présenter une fourchette de performances dans laquelle nombre de biocomposites

terre:végétaux pourront prétendre pour une même proportion de liant en terre-crue. En

multipliant ces programmes de recherche telles que ceux réalisées avec les mélanges terre-

chanvre − projet éco-terra − ou avec les fines de lavage des carrières du Boulonnais, une base

de donnée bornant les performances des mélanges terre:végétaux en fonction de leur masse

volumique permettra d’apporter des éléments nécessaires à la généralisation de la mise en place

de filières locales de matériaux biosourcés au niveau national et international.

154

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Yoann BROUARD

CARACTERISATION ET OPTIMISATION D'UN

COMPOSITE BIOSOURCE POUR

L'HABITAT

167

Résumé

Le secteur du bâtiment est une source majeure d'émissions de CO2 dans le monde (à la fois pour

la construction et l'exploitation des bâtiments), en raison notamment de la consommation

d'énergie (chaleur, ventilation et refroidissement) et de la production de matériaux.

Parallèlement à cela, l'épuisement des ressources naturelles tend à devenir un problème critique.

Parmi les réponses pouvant être apportées pour faire face à ces défis, l'utilisation de ressources

renouvelables et recyclables, à faible énergie grise apparait pertinente. À cet égard, l'utilisation

de co-produits agricoles en tant que granulats légers à des fins d'isolation thermique est une

solution méritant d’être étudiée. Ces matières premières génèrent une faible énergie grise et

peuvent être considérés comme des déchets avec un bilan carbone positif car ils stockent du

CO2. La substitution de la chaux ou du ciment par de la terre crue locale améliore également

sensiblement l'empreinte carbone d’un matériau de construction. Le travail présenté ici qui a

pour objet de mesurer les performances de ces matériaux respectueux de l'environnement a été

réalisé dans le cadre du projet BIOCOMP ayant pour but de développer des biocomposites

produits localement ayant pour vocation d’être utilisés en tant que matériaux isolants intérieurs.

L’intérêt pour les partenaires du projet est d’offrir des solutions de rénovation pour les

bâtiments vernaculaires de Touraine. Dans cette étude, des échantillons ont été préparés en

utilisant 4 granulats végétaux différents (paille de colza, écorce de tournesol, moelle de

tournesol et mélange de moelle et d'écorce de tournesol) avec une terre crue servant de liant

pour un même rapport liant / granulats.

Cette étude a pour objet de comparer les propriétés acoustiques, mécaniques et hygrothermiques

de différents biocomposites à base de granulats issus de co-produits végétaux et d'argile. Nous

avons d'abord analysé les matières premières afin d'obtenir d’une part la masse volumique et

les propriétés thermiques et hydriques des granulats végétaux et les caractéristiques

minéralogiques et gravimétriques de la terre crue sélectionnée d'autre part. L’évolution de la

conductivité thermique des mélanges terre:granulats végétaux a été étudiée à différents taux

d'humidité et différentes masses volumiques. D’un point de vue hydrique, les capacités de

sorption/désorption de ces matériaux ont été mesurées en régime statique de même que la

capacité de tampon hydrique simulant un régime dynamique. La capillarité des granulats et des

biocomposites a également été étudiée. L'étude de ces propriétés hydriques permet d’estimer

168

l’adéquation de solutions de rénovation basées sur ces matériaux avec le bâti local constitué de

pierres calcaires très poreuses possédant une forte capacité de réguler l’humidité. Les

conductivités thermiques de mélanges de terre-crue: colza et terre-crue:tournesol (écorce et

moelle) doivent être inférieure à 0,065W.m-1.K-1 pour que ces matériaux soient considérés

comme isolant thermique de bâtiment selon la norme NF P 75-101. Les enduits chaux:végétaux

ou terre-crue-végétaux peuvent difficilement atteindre ces performances, mais l'un de leurs

principaux avantages tient à leur capacité de régulation du climat intérieur ainsi que leur

compatibilité avec les caractéristiques des bâtiments vernaculaires. Le point faible de ces

matériaux réside dans leurs faibles performances mécaniques empêchant toute utilisation

structurelle ainsi que leur sensibilité à l'eau liquide. Afin d'améliorer ces deux aspects, l’ajout

de silicate d'éthyle semble offrir des garanties intéressantes nécessitant la mise en place d’essais

complémentaires. Au contraire, l'ajout d'une faible quantité (5%) de chaux est contre-productif,

diminuant à la fois la résistance mécanique et la résistance à la capillarité. Lors de la mise en

œuvre de ce type de matériaux isolants, les maçons ajoutent généralement un enduit de finition,

il nous est par conséquent apparu pertinent de mesurer l'impact de ce revêtement sur les

capacités de tampon hydrique et les performances acoustiques (absorption et affaiblissement)

des biocomposites. Cette couche de finition diminue la régulation dynamique hydrique et

l'absorption acoustique, mais augmente la perte de transmission. Pour finir, nous avons étudié

le comportement du flux thermique à travers une paroi en pierre de tuffeau locale recouverte

d'une couche isolante d’argile: colza placée à l’intérieur d’une chambre climatique. Nous avons

comparé les résultats avec ceux obtenus via une simulation via le logiciel WUFI 2D. Ce logiciel

nous a également permis de simuler l’effet de différentes compositions d’enduits de finition sur

les capacités de séchage du biocomposite à l’état frais ainsi que les changements dans la

cinétique de séchage d'un composite induisant des augmentations de la durée de séchage

différentes selon le type d’enduit.

L'un des principaux intérêts de cette étude est de confirmer qu'une large gamme de co-produits

végétaux produits à l’échelle locale pourrait être utilisée en tant que granulats pour l’élaboration

de bétons végétaux. Malgré ses performances mécaniques plus faibles et sa vulnérabilité à l'eau

liquide par rapport aux liants à la chaux ou à la pouzzolane, l'utilisation de la terre-crue comme

liant pour les bétons végétaux mérite d’être étudiée plus avant aux vues de sa forte disponibilité,

de son bilan environnemental positif et de ses propriétés hygrothermiques. Des filières locales

de matériaux biosourcés pourraient donc être mise en place sur de nombreux territoires en

169

fonction des ressources disponibles localement permettant le développement d’une économie

circulaire vertueuse pour l’environnement.

Mots-clés: Co-produits agricoles, terre-crue, matériaux biosourcés, moelle, tournesol, colza,

conductivité thermique, capacité de tampon hydrique, sorption/désorption, capillarité,

absorption acoustique, affaiblissement acoustique, chambre climatique, WUFI 2D, enduits de

finition

170

Abstract

The building sector (both for the construction and operation) is a major source of CO2 emissions

worldwide, due to the energy consumption (heat, air ventilation and cooling) and materials

production involved. Furthermore, the depletion of natural resources is becoming a critical

issue; the use of renewable and recyclable resources, with low embodied energy is therefore

relevant. In that respect, the use of agricultural by-products as lightweight aggregates for

thermal insulation purposes is particularly judicious. They have low embodied energy and can

be considered as waste with a positive carbon balance as they store CO2. Replacing Portland

cement by local crude earth improves the material’s carbon footprint. The work presented here

that claims the use of those ecologically friendly materials is carried out in the frame work of

BIOCOMP project which aims to develop locally produced biocomposites to be used as houses

interior insulating materials. This, to offer refurbishment solutions for vernacular buildings in

Touraine, Center of France. In this study, samples have been prepared using 4 different vegetal

aggregates (rape straw, sunflower bark, sunflower pith and a mix of sunflower pith and bark)

and a characterized crude earth as binder for a same binder/aggregates ratio.

The purpose of this study was to compare hygrothermal acoustical and mechanical properties

of different materials based on vegetal aggregates and clay in order to characterize the

performances of different biocomposites with a view to valorizing agricultural waste. We first

analyzed the raw materials in order to get the density, thermal and hydric properties of the

vegetal aggregates in one hand and the mineralogy and gravimetric data of the selected crude

earth in the other hand. Thermal behavior of earth:vegetal aggregates mixes have been

investigated at different humidity rates and different density ranges. Additionally, hydric

properties have been measured to produce sorption and desorption curves and moisture buffer

values (MBV) in one hand and capillarity of both aggregates and biocomposites on the other

hand. Studying those hydric properties is relevant as a suitable insulating material for the

refurbishment of the locally porous limestone made houses should offer good water vapor

regulation. For the first time, we investigate here the thermal properties of mixes of crude earth

with rape-straw and sunflower stem (bark and pith). According to the french NF P 75-101

standard, in order to be considered as building thermal insulator, a material should have a

thermal conductivity below 0.065W.m-1.K-1. Lime-vegetal or clay-vegetal plasters can hardly

171

reach those performances, but one of their major advantages is their indoor climate regulation

capacity as well as their compatibility with vernacular buildings made with crude earth or

limestone. The weaknesses of these materials are their poor mechanical performances avoiding

any structural use and also their sensitivity to liquid water. In order to enhance both

characteristics, ethyl silicate tends to offer interesting guarantees as an additive that need to be

further studied. On the contrary, an addition of a low amount (5%) of lime is counterproductive,

decreasing both mechanical and capillarity resistance. Masons use to recover those kind of

insulating materials with a finishing plaster, we then found interesting to measure the impact of

this coating on the MBV and acoustical (absorption and transmission loss) performances of the

biocomposites. It appears that the influence of those coating decrease hydric dynamical

regulation and the sound absorption but enhance the transmission loss. Lastly, we investigate

the behavior of the thermal flow through a limestone wall covered with a clay:rape-straw plaster

in a climatic chamber. We compared the found results with a WUFI 2D software simulation

and tried to also simulate the changes in the drying kinetic of a fresh composite covered with

different kinds of finishing plasters pointing the important drying delays depending on the

coating used.

One of the main interests of this study is to confirm that a wide range of locally produced vegetal

byproducts could be used as bioaggregates for concretes. Local biomaterials industries could

therefore emerge depending on the locally available resources at country scale. Despite its lower

mechanical performances and vulnerability to liquid water compared to lime or pozzolanic

binders, the use of crude earth as binder for vegetal concretes deserves further studies. Besides

its ecological and hygrothermal performances, clay production is practically ubiquitous,

enabling the emergence of very local clay-vegetal aggregate concrete industries to develop a

green, carbon-light and circular economy.

Keywords: Agricultural by-products, crude earth, bio-based material, pith, sunflower, rape

straw, thermal conductivity, MBV, sorption/desorption, capillarity, sound absorption,

transmission loss, climatic chamber, WUFI 2D, finishing plasters